Upload
others
View
3
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Univerza v Ljubljani
Pedagoška fakulteta
Oddelek za matematiko in računalništvo
Marko Razpet
DE SLUSE IN NJEGOVE KRIVULJE
Študijsko gradivo
Zgodovina matematike
Ljubljana avgust 2021
Vsebina
Seznam slik 3
Predgovor 5
Kdo je bil Reneacute-Franccedilois de Sluse 5
Eratostenov mesolabum 12
Drugo de Slusovo delo 19
De Slusove perle 22
Poseben primer de Slusove perle 24
Geometrijska konstrukcija in analitična obravnava 25
Spremljajoča parabola 29
Ogrinjače 30
Nožiščne krivulje 32
Ekstremne točke nožiščne krivulje 35
Cisoida 36
Neilova parabola 38
Ploščine in prostornine 42
Tangenta 43
Inverzija krivulje K na krožnici 45
Inverzija krivulje Kprime na krožnici 48
Pritisnjeni krožnici na K 49
Toksoida 50
De Slusove pomnoževalke hiperkock 57
Evdoksova kampila 67
Pomembni znanstveniki rojeni v 17 stoletju 74
Viri 77
Seznam slik
1 Reneacute-Franccedilois Walter de Sluse 6
2 Viseacute na zemljevidu iz sredine 19 stoletja 7
3 Mesolabum druga izdaja 1668 10
4 Osnovni elementi Eratostenovega mesolabuma 14
5 Premik pravokotnikov Eratostenovega mesolabuma 15
6 Končna lega pravokotnikov Eratostenovega mesolabuma 16
7 Do srednjih geometrijskih sorazmernic s parabolama 17
8 Do srednjih geometrijskih sorazmernic s parabolo in krožnico 18
9 Slusova konhoida 19
10 Primeri de Slusovih perl 23
11 Zasuk de Slusove perle za m = 2n = 3p = 1k = 001 okoli osi x 24
12 Konstrukcija točke T de Slusove perle K 25
13 De Slusova perla K 26
14 Lokalna ekstrema na de Slusovi perli K 28
15 De Slusova perla K in spremljajoča parabola 29
16 De Slusova perla K in ogrinjače Ks Kq Kr 30
17 Nožiščna krivulja Kprime krivulje K glede na koordinatno izhodišče 34
18 Krivulja C je cisoida krivulj K1 in K2 glede na točko O 37
19 De Slusova perla K kot cisoidna krivulja 38
20 Neilova ali polkubična parabola 39
21 Leibnizeva izohrona 40
22 Ploščini likov omejenih z zankama krivulj K in Kprime 44
23 Dotikalni elementi krivulje 44
24 Tangenta in normala na krivuljo K 46
25 Inverzna slika Klowast krivulje K 47
26 Krivulja Klowast in približka v okolici točk O in D 48
27 Inverzna slika Kprimelowast krivulje Kprime 49
3
28 Pritisnjeni krožnici na krivuljo K v točki O 50
29 Toksoida 51
30 Konstrukcija točk toksoide 52
31 Konstrukcija srednjih geometrijskih sorazmernic s toksoido 53
32 Prevoja toksoide T in pritisnjena krožnica v točki D 54
33 Inverzna slika T lowast toksoide T 55
34 Nekaj krivulj Hm 58
35 Krivulja H4 in pomnožitev roba trirazsežne kocke 59
36 Nekaj krivulj Cm 60
37 Krivulja C4 in pomnožitev roba 5-razsežne hiperkocke 61
38 Telo nastalo z zasukom lika med krivuljo C2 in njeno asimptoto
okoli te asimptote 63
39 Telo nastalo z zasukom lika med krivuljo C2 in njeno asimptoto
okoli osi y 65
40 Telo nastalo z zasukom lika ki ga omejuje H4 okoli osi y 66
41 Konstrukcija točk Evdoksove kampile 68
42 Podvojitev kocke z Evdoksovo kampilo 69
43 Desna veja Evdoksove kampile prevoja in pritisnjena krožnica 71
44 Približna podvojitev kocke 72
45 Zrcaljenje Evdoksove kampile na krožnici 73
4
Predgovor
V prispevku bomo spoznali življenje in delo valonskega matematika in
kanonika de Slusa ki je po svoje zaznamoval buren razvoj matematike 17
stoletja V njegovem času je velik napredek doživel infinitezimalni račun
in uvedli so ustrezne matematične oznake ki jih uporabljamo še danes
Družbeni in ekonomski razvoj uveljavljanje heliocentričnega svetovne-
ga sistema geografska odkritja in z njimi povezana orientacija na morju
potrebe po točnem merjenju časa velika uporaba orodij in strojev razvoj
gradbeništva in geodezije in drugo so terjali čedalje bolj natančno in hitro
računanje Naraščalo je zanimanje za geometrijo astronomijo reševanje
enačb reševanje fizikalnih problemov in uporabo logaritmov Nastajala
so nova matematična področja na primer teorija verjetnosti infinitezi-
malni račun in variacijski račun Znanstveniki so si med seboj dopisovali
se obiskovali in tako širili nove ideje in teorije Nastajale so znanstvene
akademije kot protiutež univerzam kjer je še vedno prevladovala sholasti-
čna misel Ustanavljale so se znanstvene revije ki so zagotavljale večji
pregled nad avtorstvom novih odkritij in zamisli
Kdo je bil Reneacute-Franccedilois de Sluse
Čeprav je o de Slusu napisanega precej pa ni toliko znan znanstvenik kot
bi moral biti Veliko izvemo o njem na primer v [2 5 6 10] od kjer so
vzeti podatki ki sledijo v nadaljevanju
Reneacute-Franccedilois Walter de Sluse (včasih tudi Reneacute de Sluze latinsko Re-
natus Franciscus Slusius ali preprosteje kar Reneacute Sluse izgovarjamo pa
njegov priimek kot rdquosluumlzrdquo) se je rodil 2 julija 1622 v Viseacuteju ob reki Meuse
5
sedaj v valonskem delu Belgije v provinci Liegravege blizu meje med Belgijo
in Nizozemsko v bogati in omikani družini Njegova domovina je takrat
spadala pod Špansko Nizozemsko V tistih krajih so zemljepisna imena
v tamkajšnjih jezikih različna na primer de Slusov rojstno mesto ki je v
francoščini Viseacute je v nizozemščini Wezet v nemščini Wezen in v latinščini
Villa Viesato Prav tako glavno mesto province Liegravege oziroma do 1949
Lieacutege v francoščini Luik v nizozemščini Luumlttich v nemščini in Leodium
v latinščini Prav tako reka ob kateri ležita ti dve mesti Meuse v fran-
coščini Maas v nizozemščini in nemščini ter Mosa v latinščini
Slika 1 Reneacute-Franccedilois Walter de Sluse
Po študiju prava na Katoliški univerzi v Leuvenu med letoma 1638
in 1642 (francosko Louvain nemško Loumlwen) je odšel v Rim kjer je ostal
nekaj let in si že leta 1643 prislužil naziv doktorja prava na rimski univerzi
6
La Sapienza nato pa je imel priložnost študirati v Italiji teologijo filo-
zofijo zgodovino matematiko fiziko astronomijo in jezike (baje je znal
tudi grško hebrejsko arabsko in sirsko)
Slika 2 Viseacute na zemljevidu iz sredine 19 stoletja
Katoliška univerza v Leuvenu je najstarejša univerza na ozemlju današ-
njega Beneluksa ustanovljena leta 1425 Univerza La Sapienza (rdquosapienzardquo
pomeni v italijanščini znanje) je bila ustanovljena kot papeška univerza
leta 1303 v zadnjem letu vladanja papeža Bonifacija VIII Ime je dobila
po stavbi v katero se je naselila Po doktoratu je de Sluse nekaj časa služil
papežema Inocencu X in Aleksandru VII kot tajnik Zadolžen je bil za to
da je papeške uradne dokumente na primer papeške bule obrazložil lju-
dem na razumljiv način Papežu Inocencu X je z znanjem jezikov pogosto
prevajal pisma ki so bila namenjena škofom na Grškem in v Armeniji
V Rimu se je de Sluse srečal s priznanimi takratnimi znanstveniki med
katerimi sta bila tudi B Cavalieri ki je s svojim delom nekako napovedal
integralski račun in E Torricelli
Leta 1650 je bil imenovan za kanonika kolegijske cerkve v Viseacuteju čeprav
je bilo to imenovanje le nominalno da bi mu zagotovilo dohodke Ni se
mu bilo treba takoj vrniti v Viseacute ampak je ostal še malo v Rimu ki ga je
7
zapustil naslednje leto ko ga je papež Inocenc X imenoval za kanonika v
katedrali sv Lamberta v Liegravegeu Zaradi svojega znanja prava je v Cerkvi
hitro napredoval in kmalu se je povzpel na vplivne položaje Leta 1659
je postal član zasebnega sveta katedrale v Liegravegeu leta 1666 pa kot cis-
tercijanski duhovnik opat opatije La Paix Dieu v Amayu (valonsko Ama)
jugozahodno od Liegravegea Bil je tudi zasebni svetovalec koumllnskega nadškofa
in volilnega kneza Svetega rimskega cesarstva tudi škofa v Liegravegeu Mak-
similijana Henrika Bavarskega (1621ndash1688) Umrl je 19 marca 1685 v
Liegravegeu
Reneacutejev brat Johannes Walter (1628ndash1687) se je v cerkveni hierarhiji
leta 1686 povzpel vse do kardinala Rojen je bil prav tako v Viseacuteju umrl pa
je v Rimu kjer je tudi pokopan in sicer v cerkvi Santa Maria dellrsquoAnima
Beseda rdquohierarhijardquo je grškega izvora Njen prvi del izhaja iz besede
ἱερός kar pomeni rdquosvet posvečen božjirdquo drugi del pa iz besede ἀρχός kar
pomeni rdquoprvak gospodar vladarrdquo
Omenjena kolegijska cerkev je naziv za tiste cerkve v katerih je Sveti
sedež ustanovil kapitelj ali kolegij klerikov (duhovnikov) imenovanih ka-
noniki Namen te ustanove je bil narediti bolj slovesno bogoslužje v cerk-
vah izbranega določenega pomena Ustanovitev posodobitev ali ukinitev
kolegijskih cerkva je bil v pristojnosti Svetega sedeža
Kanonik je v katoliški cerkvi dostojanstvenik član stolnega kapitlja
škofov svetovalec izvedenec za cerkveno pravo Sama beseda kanonik
izhaja iz grške κανών kar pomeni rdquovzorec predpis pravilo vodilordquo
Zaradi zahtevnih cerkvenih dolžnosti de Sluse ni imel več priložnosti
potovati toliko kot bi si želel Da bi zadovoljil svojo veliko intelektu-
alno radovednost si je stalno dopisoval z nekaterimi velikimi evropskimi
učenjaki B Pascalom C Huygensom P Fermatom R Boylom J Gre-
8
goryjem M Riccijem J Wallisom in H Oldenburgom Tako je lahko
izražal svoje ideje je pa zaradi drugega dela malo objavljal H Olden-
burg je bil tista leta tajnik Kraljevega društva v Londonu katerega član
je de Sluse postal leta 1674 Oldenburg je de Slusove zamisli posredoval
neposredno angleškim učenjakom in drugim članom kot je bilo takrat v
navadi Do njih je prišlo skoraj 80 pisem izmenjanih med letoma 1667
in 1676 De Slusovo korespondenco je leta 1884 objavil matematik C Le
Paige iz Liegravegea S tem je de Slusovo znanstveno delo postalo širše znano
De Sluse je umrl 19 marca 1685 v Liegravegu ravno tistega leta ko se je začel
spor med Newtonom in Leibnizem glede tega kdo je avtor infinitezimal-
nega računa Pokopali so ga v kolegijski cerkvi v Viseacuteju v bližini njegovih
staršev Družinski mavzolej je obstajal do 14 avgusta 1914 ko je nemška
vojska požgala kolegijsko cerkev sv Martina in sv Hadelina V kolegijski
cerkvi v Viseacuteju je ob levem stranskem oltarju spominska plošča ki govori
o slavnem prebivalcu Viseacuteja iz 17 stoletja kanoniku Reneacuteju-Franccediloisu
de Slusu Mesti Viseacute in Liegravege sta mu posvetili ulici Rue de Sluse mesto
Bassenge zahodno od Viseacuteja pa pot Chemin de Sluse
Matematične teme ki jih je obravnaval de Sluse so bile povezane z
znanstvenimi interesi tistega časa Po eni strani so bili geometrijski prob-
lemi ki segajo v čas Evklida in Arhimeda oživljeni v drugi polovici 16
in prvi polovici 17 stoletja Zlasti Cavalieri je razvil teorijo nedeljivih
količin ki je imela določen vpliv na razvoj matematične analize Po drugi
strani pa se je približno v istem času ko se je začela razvijati algebra po
zaslugi F Viegraveta ki je uvedel algebrski jezik in predvsem R Descartesa
in njegovega dela rdquoLa Geacuteomeacutetrierdquo zelo povečalo zanimanje za geometrijo
Združitev teh dveh tokov je de Slusa in številne druge matematike njego-
vega časa pripeljal do tega da so se začeli zanimati za geometrijske last-
9
Slika 3 Mesolabum druga izdaja 1668
nosti analitično definiranih krivulj predvsem algebrskih pa tudi spiral in
cikloid ki so bile takrat modne teme Pomembni problemi v tistih časih so
bili kako definirati in konstruirati tangento na krivuljo kako izračunati
ploščino lika ki ga ograjuje taka krivulja kako izračunati njeno dolžino
in kako izračunati prostornino in površino teles ki niso omejena samo z
ravninskimi ali sferičnimi liki G W Leibniz je pri de Slusu in Descartesu
našel marsikatero idejo pri razvoju infinitezimalnega računa in analitične
geometrije Ni čudno da je Huygens v nekem v pismu H Oldenburgu
dal o de Slusu naslednje mnenje rdquoSlusius eotilde geometrarum quos novi
omnium doctissimus candidissimusquerdquo rdquoSluse je od geometrov kar jih
poznam najbolj učen in jasenrdquo
10
Prav tako so bili v de Slusovem času še vedno aktualni problemi reše-
vanja algebrskih enačb tretje in četrte stopnje čeprav so to znali že itali-
janski matematiki S del Ferro N Tartaglia G Cardano in L Ferrari Še
vedno pa so bili živi antični problemi kvadrature kroga trisekcije kota in
podvojitve kocke s katerimi so se ubadali grški geometri Kot je znano gre
pri problemu podvojitve kocke za konstrukcijo kocke s prostornino ki je
dvakrat večja od prostornine dane kocke Problema se ne da rešiti z neoz-
načenim ravnilom in šestilom kot si je zamislil Platon pač pa s pomočjo
nekaterih algebrskih krivulj ali pa s posebnimi mehanskimi napravami
De Sluse je obravnaval geometrijsko reševanje algebrskih enačb tretje in
četrte stopnje z uporabo presečišč stožnic Descartes je pokazal da se
problem lahko rešuje z iskanjem presečišč parabole in krožnice de Sluse
pa je pokazal da lahko parabolo nadomestimo s katerokoli stožnico kar
se je izkazalo za veliko bolj prilagodljivo in elegantno kot Descartesova
metoda Svojo metodo je pod velikim vplivom Viegravetovih in drugih del
razvil v delu rdquoMesolabumrdquo (1659) še posebej v njegovi drugi izdaji (1668)
Celotna naslova izdaj nista popolnoma identična (glej [11 12]) Razvil je
tudi postopek za iskanje subtangente in s tem tangente katerekoli alge-
brske krivulje in to brez uporabe odvoda funkcije kakršnega poznamo
dandanes
Na sliki 3 opazimo v letnici izdaje de Slusovega Mesolabuma tudi malo
drugačen zapis rimskih številk za 500 in 1000 Navajeni smo ju pisati v
obliki D in M Namesto D so svoj čas pisali I in narobe obrnjen C torej
I C kar je skoraj D Za M pa CI C Število I Cje druga polovica od CI C
kar je v soglasju z dejstvom da je 500 polovica od 1000 Razlog za tako
pisavo sega v čas starih Grkov Etruščanov in Rimljanov Baje so nekoč
uporabljali za 1000 črko Φ iz katere se je razvila oznaka CI C iz te pa M
11
Eratostenov mesolabum
Beseda rdquomesolabumrdquo je zelo stara Izvira iz grške besede μεσολάβος (morda
tudi iz μεσολάβον) ki je v antiki pomenila posebno geometrijsko orodje
za določevanje prve in druge srednje geometrijske sorazmernice Beseda
izvira iz grške μέσος kar pomeni rdquosrednjirdquo in λαμβάνω kar pomeni rdquovza-
mem primem zgrabim pograbim popadem ulovimrdquo Glagolska os-
nova je λαβ- je tista iz katere izhajata nedoločnik λαβεῖν in aorist λάβον
Mesolabum je potemtakem tisto s čimer lovimo sredino lovilec sredin
Podobna beseda je rdquoastrolabrdquo starodavna astronomska naprava za določe-
vanje položaja zvezd v grščini ἀστρολάβον ὄργανον
V grških besedilih je glagol λαμβάνω eden od osnovnih in kot tak zelo
pomemben V taki ali drugačni obliki je zato zelo pogost Za primer
navedimo iz Odiseje (XXIV 397ndash399 prevod A Sovregrave )
ὣς ἄρ ἔφη Δολίος δv ἰθὺς κίε χεῖρε πετάσσας
ἀμφοτέρας ᾿Οδυσεῦς δὲ λαβὼν κύσε χεῖρv ἐπὶ καρπῷ
καί μιν φωνήσας ἔπεα πτερόεντα προσηύδα
To je dejal Približa se Dolios rok mu razpetih
prime gospoda v zapestju roko mu ginjen poljubi
z glasom obrne se k njemu pa reče krilate besede
V latinščini imenujejo mesolabum tudi rdquomesolabiumrdquo kar se čudno
sliši ker beseda rdquolabiumrdquo pomeni ustnica Iz besede rdquolabiumrdquo so izvedene
še druge V fonetiki imamo glasove ki jih sooblikujemo z ustnicami in se
zato imenujejo rdquolabialirdquo na primer rdquoprdquo in rdquobrdquo
12
Mesolabum je iznašel Eratosten iz Kirene (276ndash195 pnš) grško ᾿Ερα-
τοσθένης ὁ Κυρηναῖος ki je deloval v Aleksandriji kot vodja tamkajšnje
slavne knjižnice ki je bila del Muzejona hiše učenosti in umetnosti grško
Μουσεῖον τῆς Αλεξανδρείας in je najbolj znan po svojem situ za iskanje
praštevil in po izračunu velikosti Zemlje Pri mesolabumu gre za to kako
mehansko določiti prvo in drugo srednjo geometrijsko sorazmernico x in
y daljic a in b kjer je 0 lt a lt b Srednji geometrijski sorazmernici x in y
morata zadoščati relacijiax=xy=y
b (1)
Če označimo te tri kvociente z λ in jih med seboj zmnožimo dobimo
axsdotxysdoty
b=ab= λ3
To pomeni da je
λ = 3
radicab x =
3radica2b y =
3radicab2
Pri tem velja relacija a lt x lt y lt b ki je posledica relacije
a3 = a2a lt a2b = aab lt abb = ab2 lt bb2 = b3
iz katere sledi po kubičnem korenjenju a lt3radica2b lt
3radicab2 lt b Zato lahko
rečemo da sta x in y sredini daljic a in b saj sta med a in b
Za b = 2a je x = a 3radic
2 in y = a 3radic
4 To pomeni da se s tem posreči pod-
vojiti in početveriti kocko Kocka z robom x ima namreč dvakrat kocka z
robom y štirikrat večjo prostornino kot kocka z robom a in dvakrat večjo
kot kocka z robom x ker je x3 = 2a3 in y3 = 4a3 = 2x3 Prvi ki je prišel na
idejo poiskati srednji geometrijski sorazmernici x in y za a in b = 2a je bil
v 5 stoletju pnš živeči Hipokrat z otoka Hios v grščini ῾Ιπποκράτης ὁ
Χῖος Skušal je rešiti problema podvojitve kocke in kvadrature kroga
13
Eratosten je bil nad svojim izumom mesolabuma tako navdušen da je
en primerek baje daroval v nekemu templju sicer pa ga je posvetil kralju
Ptolemaju III (284ndash222 pnš) imenovanemu tudi Ptolemaj Dobrotnik
grško Πτολεμαῖος Εὐεργρέτης
Slika 4 Osnovni elementi Eratostenovega mesolabuma
Sedaj je čas da opišemo Eratostenov mesolabum Njegov je bil sicer
izdelan iz lesa slonove kosti in kovin mi pa si ga bomo ogledali she-
matično geometrijsko uporabljajoč pravokotnike trikotnike daljice pre-
mice točke razmerja in sorazmerja
V ravnini so postavljeni skladni pravokotniki A1B1C1D1 A2B2C2D2 in
A3B3C3D4 s stranicami A1B1 A2B2 in A3B3 na skupni premici na kateri
ostanejo ves čas v nadaljevanju opisanega postopka Vse stranice pra-
vokotnikov pravokotne na to premico imajo dolžino b Dolžina pre-
ostalih stranic ni pomembna Na stranici B3C3 izberemo točko T tako
da je ∣B3T ∣ = a Prvi pravokotnik je negiben preostala dva pa lahko dr-
sita po premici tako da se tretji lahko skrije pod drugega drugi pa pod
prvega S tem lahko gibljiva dva postavimo tako da dobimo daljice dolžin
14
x in y ki skupaj z a in b zadoščajo relaciji (1) Pravokotniki so razdeljeni z
med seboj vzporednimi diagonalami na pravokotne trikotnike (slika 4)
Slika 5 Premik pravokotnikov Eratostenovega mesolabuma
Ko premikamo drugi pravokotnik pod prvega njegova diagonala B2D2
prej ali slej seka stranico B1C1 negibnega pravokotnika denimo v točki
E Ko pa premikamo tretji pravokotnik pod drugega njegova diagonala
B3D3 prej ali slej seka stranico B2C2 drugega pravokotnika denimo v točki
F Cilj premikanja pravokotnikov sem in tja je doseči kolinearnost točk
D1EF in T Kot bomo kmalu videli takrat x = ∣B2F∣ in y = ∣B1E∣ ustrezata
relaciji (1)
Kolinearnost točk D1EF in T dosežemo s postopkom ki mu učeno
rečemo rdquoiteracijardquo Malo premaknemo drugi pravokotnik nato malo tret-
jega pa zopet drugega itd dokler s svojo spretnostjo ne dosežemo zado-
voljive natančnosti V natančni legi označimo u = ∣B1D1∣ v = ∣B2E∣ in
w = ∣B3F∣ Te daljice so med seboj vzporedne (slika 6) in zaradi podob-
nosti trikotnikov A1B1D1 B1B2E in B2B3F ter trikotnikov B1ED1 B2FE in
15
Slika 6 Končna lega pravokotnikov Eratostenovega mesolabuma
B3T F dobimo sorazmerja
bu=y
v=xwy
u=xv=aw
iz katerih sledijo relacije
xw = av xv = yw yv = ux bv = uy
Iz prve druge tretje in četrte dobimo po vrsti
ax=wvwv=xyxy=vuvu=y
b
Sedaj je nedvomno razvidno da je res
ax=xy=y
b
Tako lahko z Eratostenovo napravo najdemo prvo in drugo srednjo ge-
ometrijsko sorazmernico daljic a in b Podobno bi lahko našli tudi več
srednjih geometrijskih sorazmernic daljic a in b
16
So pa matematiki že davno odkrili da se da srednji geometrijski so-
razmernici najti tudi s parabolama Iz relacije (1) namreč sledita preprosti
zvezi
x2 = ay y2 = bx
V prvi spoznamo enačbo parabole ki ima za simetralo ordinatno os gorišče
v točki F(0a4) in vodnico y = minusa4 v drugi pa enačbo parabole ki ima za
simetralo absciso os gorišče v točki G(b40) in vodnico x = minusb4 (slika 7)
Slika 7 Do srednjih geometrijskih sorazmernic s parabolama
Paraboli se sekata v točkah O(00) in A(3radica2b
3radicab2) Konstrukcijo je
odkril Menajhmos grško Μέναιχμος ki je živel v 4 stoletju pnš Prvi je
vpeljal stožnice kot preseke stožca z ravnino Teorijo stožnic je temeljito
obdelal Apolonij iz Perge (265ndash170 pnš) grško Απολλώνιος ὁ Περγαῖος
Njegove knjige so matematiki uporabljali še vse do Newtonovih časov
Prav tako pridemo do srednjih geometrijskih sorazmernic če poiščemo
presečišči parabole x2 = ay z goriščem F(0a4) in vodnico y = minusa4 ter
krožnice x2 + y2 = bx + ay ki ima središče v točki S(b2a2) in premer
17
Slika 8 Do srednjih geometrijskih sorazmernic s parabolo in krožnico
d =radica2 +b2 Parabola in krožnica se sekata v točkah O in A(
3radica2b
3radicab2)
(slika 8) kar potrdi preprost račun Opisano konstrukcijo je obvladal Reneacute
Descartes Menajhmos in Descartes sta pokazala da se z njunima kon-
strukcijama da rešiti problem podvojitve kocke Za b je treba v opisanih
postopkih vzeti 2a Pripomnimo še da je bila starogrška matematika
pretežno matematika razmerij in sorazmerij in tako je bilo še celo vrsto
stoletij Srednjo geometrijsko sorazmernico x daljic dolžin a in b tako
da velja a ∶ x = x ∶ b iz česar sledi x =radicab se da konstruirati z neoz-
načenim ravnilom in šestilom Spomnimo se na višinski izrek v pravokot-
nem trikotniku ki je pravzaprav posledica podobnosti dveh trikotnikov
na katera višina na hipotenuzo razdeli pravokotni trikotnik
Pri dveh srednjih geometrijskih sorazmernicah x in y pa se kot smo
videli pojavi kubični koren ki pa z omenjenima geometrijskima orodjema
ni konstruktibilen To so matematiki dokazali šele v 19 stoletju Do takrat
so problem skušali rešiti na druge načine in pri tem odkrili nove krivulje
tako da njihov trud le ni bil popolnoma zaman Geometrijski objekt bo za
18
nas rdquokonstruktibilenrdquo če se ga da konstruirati z neoznačenim ravnilom in
šestilom
Drugo de Slusovo delo
De Sluse še vedno velja za izjemno učenega človeka nadarjenega za mate-
matiko izumiteljstvo in posploševanje Njegovo ime je še danes povezano
z njegovimi konhoidami in perlami De Slusova konhoida (slika 9) ki ima
implicitno obliko
(xminus c)(x2 +y2)minus2cx2 = 0
je precej natančno obravnavana v članku [9]
Slika 9 Slusova konhoida
Reneacute de Sluse se ni ukvarjal le z matematiko ampak tudi z astronomijo
fiziko naravoslovjem in seveda teologijo Pogosto se je pritoževal nad
omejitvami ki so mu jih nalagale njegove verske in upravne funkcije
Ni veliko eksperimentiral ker za to ni imel posebnega veselja pa tudi
ne tehničnih možnosti Je pa predlagal drugim zlasti Huygensu da naj
naredijo tak ali drugačen eksperiment Z zanimanjem je bral prepovedane
19
knjige N Kopernika G Galileja in J Keplerja ter kritiziral prizadevanja za
obnovitev starih konceptov Pisal je že o ekscentričnosti v zvezi s Soncem
Zdi se da je za svoje izračune uporabljal oba sistema heliocentričnega
in geocentričnega Rad je opazoval zvezdnato nebo Tako v kemiji kot
drugje se je znašel na razpotju Prebral je modne knjige o alkimiji in
celo ponovil poskus sublimacije antimona v belo barvo vendar je bila nje-
gova razlaga odločno korpuskularna saj je uporabljal Boylove zamisli o
strukturi tekočega in trdnega stanja V podporo temu je izvajal poskuse
zamrzovanja različnih raztopin in študiral sestavo lojevca V medicinski
kemiji se je zanimal za zdravilne vode in jih tudi analiziral
V fiziki sta ga je posebej zanimala merjenje temperature in praktična
termometrija Če ne upoštevamo odkritij E Torricellija in B Pascala o
vplivu atmosferskega tlaka na zračni termometer je de Sluse leta 1664
izumil svoj termometer z voščeno kroglico pomešano s peskom ki se je
gibala v stekleni cevi zaprti na dnu napolnjeni s slano vodo tako da je
bila kroglica bolj ali manj potopljena v sredini cevi kar je opisal v pismih
Huygensu Kroglica je označevala vsako spremembo v zraku iz toplejšega
na hladnejše ko se je spuščala ali dvigala Huygens je odgovoril da je
njegov termometer prepočasen vendar je zanesljivejši od drugih istovrst-
nih termometrov ker je manj podvržen vplivu atmosferskega tlaka Žal
ni poznal florentinskega termometra ko je svojim dopisnikom vključno s
Huygensom in Oldenburgom povedal o svojem izumu Florentinski ter-
mometri so pomenili odločilen korak naprej pri merjenju temperature
Bili so prvi ki so omogočali natančne meritve Pred iznajdbo v Firencah
okoli leta 1650 so bili stari modeli zelo približni določali so ali je pred
nami nekaj hladnega ali vročega ne da bi lahko odčitali ali ocenili tem-
peraturo Razlika je v tem da je steklena cev zaprta tako da je vpliv tlaka
20
odpravljen Uporabljali so se predvsem petdesetstopinjski termometri
Taki termometri so večinoma služili za določanje nihanja temperature zra-
ka v zaprtih prostorih in na prostem Oblikovanje termometra je takrat
pomenilo tudi določitev njegove merilne lestvice vendar še brez Celzijevih
ali Fahrenheitovih stopinj Pri tem so bile stopinje enakomerno razpore-
jene med dvema skrajnostma in sicer med nivojem najhladnejše tekočine
pozimi (nizka točka) in nivojem najbolj vroče tekočine poleti (visoka točka)
Zaradi teh zelo relativnih vrednosti je primerjava meritev med dvema ter-
mometroma nezanesljiva Ob upoštevanju pripomb jo je večkrat spreme-
nil in jo ponovno predložil Oldenburgu do leta 1669 ko je R Boyle izrazil
negativno mnenje glede topnosti voska kroglic v slani tekočini Po tem da-
tumu termometer ni bil nikoli več omenjen De Sluse je zboljšal različne
instrumente ure številčnice barometre Ker ga je motilo prerekanje med
raziskovalci glede avtorstva odkritij je po Oldenburgovi smrti leta 1677
končal svojo znanstveno dejavnost
Šele v 18 stoletju so razvijali temperaturne merilne lestvice C Re-
naldini (1694) O C Roslashmer (1702) G Fahrenheit (1717) Reneacute-Antoine
F de Reacuteaumur (1730) in A Celsius (1741) Enota kelvin (K ndash v čast lordu
Kelvinu 1824-1907) osnovna enota mednarodnega sistema enot za tem-
peraturo je bila uvedena šele leta 1954
De Sluse je bil tudi zgodovinar Napisal je knjigo o smrti sv Lam-
berta škofa v Tongresu ki je bil ubit na kraju kamor je sv Hubert njegov
naslednik prenesel sedež svoje škofije Kraj se je kasneje razvil v Liegravege
Druga zgodovinska študija se nanaša na slavnega maastrichtskega škofa
sv Servacija Med de Slusovimi neobjavljenimi rokopisi je tudi zgodovina
Koumllna Pripomnimo še da je sv Hubert zavetnik lovcev matematikov
optikov in kovinarjev
21
O širini de Sluzovih interesov priča raznolikost tem ki so zajete na
več sto straneh njegovega dela neobjavljenih rokopisov ki jih zdaj hrani
Narodna knjižnica Bibliotheque Nationale v Parizu Čeprav se je ukvarjal
predvsem z matematiko njegovi rokopisi obravnavajo tudi astronomijo
fiziko in naravoslovje
De Slusove perle
Po de Slusu so po zaslugi B Pascala (več o tem v [4]) imenovane tudi
krivulje rdquode Slusove perlerdquo to so krivulje ki se v pravokotnem kartezi-
čnem koordinatnem sistemu Oxy izražajo z enačbo
ym = kxn(aminusx)p (2)
Pri tem so eksponenti mn in p naravna števila a in k pa pozitivni kon-
stanti Glede na parnost eksponentovmn in p formalno razlikujemo osem
možnosti od katerih imamo opravka s perlami le v primeru ko je m sodo
število s pravimi perlami pa v primeru ko je m sodo število n in p pa lihi
števili (slika 10) Skupno tem krivuljam so simetričnost glede na os x in
presečišča s to osjo pri x = 0 in x = a De Sluse je po svoje brez uporabe
odvoda izračunal da njegove perle dosegajo lokalne ekstreme največji
odstop od osi x med 0 in a za x = na(n+p)
V teh primerih je ploščina S lika ki ga ograjuje zanka perle enaka
S = 2k1mint
a
0xnm(aminusx)pmdx = 2k1ma(m+n+p)mint
1
0tnm(1minus t)pmdt
Integracijsko spremenljivko x smo zamenjali z novo spremenljivko t prek
relacije x = at da smo dobili obliko ki jo lahko izrazimo z Eulerjevima
22
Slika 10 Primeri de Slusovih perl
funkcijama B in Γ
S = 2k1ma(m+n+p)mB(nm+1pm+1) =
= 2k1ma(m+n+p)mΓ(nm+1)Γ(pm+1)
Γ((n+p)m+2)=
= 2k1ma(m+n+p)mnp
(m+n+p)(n+p)
Γ(nm)Γ(pm)
Γ((n+p)m)
Pri rotaciji okoli osi x ta lik v prostoru opiše telo s prostornino
V =πk2mint
a
0x2nm(aminusx)2pmdx =πk2ma(m+2n+2p)m
int
1
0t2nm(1minust)2pmdt
23
Slika 11 Zasuk de Slusove perle za m = 2n = 3p = 1k = 001 okoli osi x
Integracijsko spremenljivko x smo tudi to pot zamenjali z novo spremenljivko
t prek relacije x = at da smo dobili obliko ki jo lahko izrazimo z Eulerje-
vima funkcijama B in Γ
V =πk2ma(m+2n+2p)mB(2nm+12pm+1) =
=πk2ma(m+2n+2p)mΓ(2nm+1)Γ(2pm+1)Γ((2n+2p)m+2)
=
= 2πk2ma(m+2n+2p)m np
(m+2n+2p)(n+p)Γ(2nm)Γ(2pm)
Γ((2n+2p)m)
Poseben primer de Slusove perle
Natančneje bomo obravnavali de Slusovo perlo samo primer za m = n = 2
p = 1 in k = 1a to se pravi krivuljo K ki ima implicitno enačbo ay2 =
x2(a minus x) To pa zato ker se posamezne točke te krivulje da preprosto
konstruirati z osnovnim geometrijskim orodjem
24
Geometrijska konstrukcija in analitična obravnava
Do posameznih točk T krivulje K pridemo s preprosto geometrijsko kon-
strukcijo (slika 12) V pravokotnem kartezičnem koordinatnem sistemu
Oxy načrtamo premico x = a kjer je a pozitivna konstanta Skozi koordi-
natno izhodišče O potegnemo premico p ki ima enačbo y = tx in preseka
premico x = a v točki A(ata) Parameter t smerni koeficient premice p s
katerim je sorazmerna ordinata točkeA bomo kasneje spreminjali V točki
A na p postavimo pravokotnico q ki seka os x v točki B V B načrtamo na
q pravokotnico r ki seka premico x = a v točki C nazadnje pa skozi C še
pravokotnico s na r Presečišče premic p in s naj bo točka T (xy) Sedaj
bomo izrazili njeni koordinati x in y s parametrom t
Slika 12 Konstrukcija točke T de Slusove perle K
Premica q ima enačbo y = minus(x minus a)t + at in preseka os x v točki B(a +
at20) Premica r ima enačbo y = t(x minus aminus at2) in preseka premico x = a v
točki C(aminusat3) premica s pa enačbo y = minus(xminus a)t minus at3 Koordinati točke
T sta rešitvi sistema enačb
y = tx y = minusxminusat
minusat3
25
Po krajšem računu dobimo
x(t) = a(1minus t2) y(t) = at(1minus t2) (3)
To sta parametrični enačbi krivulje K Ko spreminjamo t po vseh realnih
vrednostih oziroma ko A drsi po premici x = a točka T (xy) opiše krivuljo
K (slika 13) z zanko ki spominja na perlo
Če si mislimo da je parameter t čas enačbi (3) predstavljata sestav-
ljeno gibanje točkaste mase v dveh med seboj pravokotnih smereh v koor-
dinatni ravnini v smeri osi x po pravilu prve enačbe v smeri osi y pa po
pravilu druge enačbe Tirnica takega gibanja je krivulja K Podoben le da
bolj preprost primer imamo tudi pri gibanju točkaste mase pri poševnem
metu
Slika 13 De Slusova perla K
Ko se t spreminja od zelo velikih negativnih vrednosti potuje T po
loku v drugem kvadrantu navzdol in doseže za t = minus1 prvič točko O Za
minus1 le t le 0 opiše lok v četrtem kvadrantu odO do temenaD(a0) za 0 le t le 1
opiše lok v prvem kvadrantu od D do točke O ki jo doseže drugič za t = 1
za t gt 1 pa se spusti po loku v tretjem kvadrantu navzdol
26
Če upoštevamo (3) dobimo
x2(t)(aminusx(t)) = a2(1minus t2)2 sdotat2 = a(at(1minus t2))2 = ay2(t)
To pomeni da je ay2 = x2(aminusx) implicitna enačba krivulje K in da je K al-
gebrska krivulja tretje stopnje Krivulja K je simetrična glede na os x Za
točke ki so zelo blizu koordinatnemu izhodiščuO je člen x3 zanemarljivo
majhen v primerjavi s kvadratnima členoma zato je tam enačba krivulje
K približno ay2 = ax2 oziroma (y minusx)(y +x) = 0 Ta enačba razpade na dve
y = x in y = minusx V točki O ima krivulja tangenti y = x in y = minusx ki se sekata
pravokotno V točki D je tangenta na krivuljo premica x = a Krivulja ima
na zanki dve glede na os x simetrično ležeči lokalno ekstremni točki v ka-
terih je tangenta vzporedna z osjo x To sta točki Mplusmn(2a3plusmn2aradic
39) De
Sluse jih je na svojevrsten način pravilno izračunal čeprav je bilo v nje-
govem času računanje z odvodi še v zametkih Da bi pravilnost ekstrem-
nih točk preverili brez odvoda uporabimo kvadrat ekstremne ordinate ki
je y2M = 4a227 in zapišimo izraz
ay2M minusx2(aminusx) = 4a327minusax2 +x3 = (xminus2a3)2(x+a3)
ki je za 0 lt x lt a nenegativen in enak 0 za x = 2a3 To pomeni da je
tedaj x2(a minus x) le 4a327 in največja ordinata na zanki krivulje je 2aradic
39
najmanjša pa minus2aradic
39 oboje pri x = 2a3 (slika 14)
Z uporabo odvoda gre vse veliko hitreje Ordinata y doseže ekstrem
takrat kot ay2 Zato je vseeno če poiščemo ekstrem enostavnejše funkcije
g(x) = x2(a minus x) = ax2 minus x3 Potreben pogoj za to je g prime(x) = 2ax minus 3x2 = 0
Dobimo stacionarni točki x1 = 0 in x2 = 2a3 Uporabimo še g primeprime(x) = 2aminus6x
Ker je g primeprime(x1) = 2a gt 0 in g primeprime(x2) = minus2a lt 0 ima funkcija g v točki x1 lokalni
minimum ki je enak 0 v točki x2 pa lokalni maksimum ki je enak 4a327
27
Slika 14 Lokalna ekstrema na de Slusovi perli K
Ekstremna točka na zanki kjer je tangenta vzporedna z osjo x je očitno
le v x2 kvadrat ekstremne ordinate je tedaj g(x2)a = 4a227 = 12a281
Ekstremni ordinati sta torej plusmn2aradic
39 pri abscisi 2a3
Abscise 2a3 ni težko geometrijsko konstruirati prav tako tudi ne or-
dinate 2aradic
39 ki je 29 razdalje ∣PminusP+∣ = aradic
3 kjer sta Pminus in P+ presečišči
krožnih lokov s središčema v točkahO inD in polmerom ∣OD ∣ To pomeni
da sta točki Pminus in P+ konstruktibilni
Če bi načrtali celotna krajša krožna loka med Pminus in P+ bi dobili med
njima lečast lik ki so mu nekoč rekli rdquovesica piscisrdquo kar dobesedno pomeni
rdquoribji mehurrdquo Lik je bil zelo znan v srednjeveški sakralni umetnosti
Čeprav v de Slusovem času še niso poznali odvoda funkcije v današn-
jem smislu so že vedeli zahvaljujoč Fermatu da ima funkcija v točki
lokalnega ekstrema vodoravno tangento
28
Spremljajoča parabola
Nastajanje krivulje K spremljajo še nekatere druge bolj ali manj znane
krivulje Najprej si oglejmo kaj dobimo če točko O pravokotno projici-
ramo na premice r in spreminjamo parameter t Dobljena projekcija naj
bo R (slika 15)
V prispevku se pogosto sklicujemo na povezavo med smernima koe-
ficientoma premice in pravokotnice nanjo Koeficienta sta si inverzna in
nasprotna Zato zlahka napišemo enačbo premice r in pravokotnice skozi
O nanjo
y = t(xminusaminusat2) y = minusxt
Njuno presečišče R ima koordinati
x(t) = at2 y(t) = minusat
Z izločitvijo parametra t dobimo y2 = ax kar pomeni da točke R pri spre-
minjanju točkeA po premici x = a opišejo parabolo rdquospremljajočo parabolordquo
ki ima gorišče v točki F(a40) in vodnico v z enačbo x = minusa4
Slika 15 De Slusova perla K in spremljajoča parabola
29
Ogrinjače
Ko drsi točka A po premici x = a premice s ogrinjajo neko krivuljo Ks
Premice s so v točki T krivulje K pravokotne na premice skozi O in T
Njeno enačbo dobimo po standardnem postopku Enačba premic s je
F(xyt) = y +xminusat
+at3 = 0
To je enoparametrična družina premic ki ogrinjajo krivuljo Ks imeno-
vano rdquoogrinjačardquo te družine (slika 16) V vsaki točki ogrinjače se jo dotika
ena premica v različnih točkah različne premice družine Enačbo njihove
ogrinjače v implicitni obliki dobimo tako da iz sistema enačb
Slika 16 De Slusova perla K in ogrinjače Ks Kq Kr
F(xyt) = 0partFpartt
(xyt) = 0
izločimo parameter t Iz enačbe
partFpartt
(xyt) = minus(xminusa)t2 +3at2 = 0
30
dobimo najprej xminusa = 3at4 kar vstavimo v prvo enačbo v sistemu in imamo
y = minus4at3 Dobili smo ogrinjačo v parametrični obliki
x(t) = a(1+3t4) y(t) = minus4at3
Izločimo t in enačba iskane ogrinjače Ks v implicitni obliki je pred nami
27y4 = 256a(xminusa)3
Ker je y dobljene krivulje sorazmeren s potenco (x minus a)34 lahko rečemo
da je ogrinjača premic s četrtkubična parabola
Podobno poiščemo ogrinjačo Kq premic q
F(xyt) = yt +xminusaminusat2 = 0partFpartt
(xyt) = y minus2at = 0
Ogrinjača v parametrični obliki je to pot
x(t) = a(1minus t2) y(t) = 2at
Z izločitvijo parametra t dobimo njeno enačbo v implicitni obliki
y2 = minus4a(xminusa)
Dobljena krivulja Kq je parabola z vodnico x = 2a in goriščem v točki O
(slika 16)
Nazadnje po enakem postopku kot doslej poiščemo še ogrinjačo Kr
premic r
F(xyt) = y minus tx+at +at3 = 0partFpartt
(xyt) = minusx+a+3at2 = 0
Ogrinjača v parametrični obliki je potem
x(t) = a(1+3t2) y(t) = 2at3
31
Z izločitvijo parametra t dobimo njeno enačbo še v implicitni obliki
27ay2 = 4(xminusa)3
Dobljena krivulja Kr je polkubična ali Neilova parabola z ostjo v točki
D(a0) kjer ima vodoravno tangento (slika 16) Krivuljo Ks smo up-
ravičeno imenovali četrtkubična parabola Slednja ima v točki D(a0)
navpično tangento
Edinole premice p od tistih ki sodelujejo v konstrukciji točk krivulje
K nimajo ogrinjače Vse premice p namreč potekajo skozi koordinatno
izhodišče O in očitno ne ogrinjajo nobene krivulje
Nožiščne krivulje
Novo krivuljoHprime dobimo če na tangente dane krivuljeH pravokotno pro-
jiciramo izbrano točko Φ Vse projekcije P nožišča točke Φ na tangentah
krivuljeH sestavljajo krivuljoHprime ki jo imenujemo rdquonožiščnardquo ali rdquopedalna
krivuljardquo krivulje H glede na točko Φ
Beseda rdquopedalenrdquo izhaja iz latinske rdquopedalisrdquo kar pomeni rdquonoženrdquo Os-
novna beseda je rdquopesrdquo v rodilniku ednine rdquopedisrdquo kar pomeni rdquonogardquo Od
tod izvirajo tudi besede rdquopedalordquo rdquopedalarrdquo in rdquopedalinrdquo
Poiščimo nekaj nožiščnih krivulj glede na koordinatno izhodišče O
Najprej za krivuljo K ki je poseben primer de Slusove perle Za odvod
v točki T isinK ki ustreza parametru t dobimo
dy
dx(x) =
y
x(t) =
3t2 minus12t
Enačbi tangente v T in pravokotnice skozi O nanjo pa se glasita
y minusat(1minus t2) =3t2 minus1
2t(xminusa(1minus t2)) y =
2t1minus3t2
x
32
Sekata se v točki P s koordinatama
x(t) =a(t2 minus1)2(1minus3t2)
9t4 minus2t2 +1 y(t) =
2at(t2 minus1)2
9t4 minus2t2 +1 (4)
S tem smo našli parametrični enačbi krivulje Kprime (slika 17) Do implicitne
enačbe je dolga pot prek rezultante dveh polinomov spremenljivke t od
katerih je prvi druge drugi pa pete stopnje Najprej opazimo da je v (4)
yx = 2t(1minus 3t2) kar lahko zapišemo kot p(t) = 3yt2 + 2xt minus y = 0 drugo
enačbo pa zapišemo v obliki q(t) = 2at5 minus 9yt4 minus 4at3 + 2yt2 + 2at minus y = 0
Zaradi enostavnosti smo pisali x in y brez argumenta t Da izločimo pa-
rameter t je treba zapisati rdquorezultantordquo R(p(t)q(t)) polinomov p(t) in
q(t) in jo izenačiti z 0 (glej [14])
R(p(t)q(t)) =
RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR
2a minus9y minus4a 2y 2a minusy 0
0 2a minus9y minus4a 2y 2a minusy
3y 2x minusy 0 0 0 0
0 3y 2x minusy 0 0 0
0 0 3y 2x minusy 0 0
0 0 0 3y 2x minusy 0
0 0 0 0 3y 2x minusy
RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR
= 0
Zadnji stolpec je deljiv z y Ker y = 0 ni del iskane nožiščne krivulje pre-
ostane ko izračunamo determinanto in jo okrajšamo z y in preuredimo
27y2(x2 +y2)2 +4ax(x2 minus9y2)(x2 +y2)minus4a2(x2 minusy2)2 = 0
Rezultat je torej algebrska krivulja šeste stopnje Krivulja je simetrična
glede na abscisno os točka O pa je njena posebna točka Za zelo majhne
x in y prevlada zadnji člen kar pomeni da sta premici y = x in y = minusx v O
tangenti na krivuljo
33
Slika 17 Nožiščna krivulja Kprime krivulje K glede na koordinatno izhodišče
Zanka krivulje Kprime nekoliko spominja na srčnico ali kardioido ki jo
opisujejo točke krožnice ki se brez drsenja kotali po enako veliki krožnici
Krivulja Kprime ima še neomejeni del ki se razteza po drugem in tretjem kvad-
rantu Poglejmo kako potuje točka po krivulji v parametrizaciji (4) ko
parameter t teče po številski premici Za t lt minus1 poteka krivulja po tretjem
kvadrantu pri čemer x(t)rarr minusinfin in y(t)rarr minusinfin ko t rarr minusinfin Pri t = minus1 točka
doseže O v obliki osti ki ima za tangento premico y = x Za minus1 lt t lt 0
potuje točka po četrtem kvadrantu doseže točko D pri t = 0 za 0 lt t lt 1
potuje naprej po prvem kvadrantu in pri t = 1 spet doseže O kjer ima
ost s tangento y = minusx nato nadaljuje pot po drugem kvadrantu pri čemer
x(t)rarr minusinfin in y(t)rarrinfin ko trarrinfin
Nožiščna krivulja malo prej obravnavane krivulje Ks glede na točko O
ni nič drugega kot krivulja K Premice s so namreč tangente na Ks nožišča
točke O na njej pa so točke krivulje K Lahko pa to preverimo z računom
34
tako kot smo poiskali nožiščno krivuljo Kprime za K glede na točko O
Za odvod v poljubni točki na Ks ki ustreza parametru t dobimo
dy
dx(x) =
y
x(t) = minus
1t
Enačbi tangente v tej točki in pravokotnice skozi O nanjo pa se glasita
y +4at3 = minus1t(xminusa(1+3t4)) y = tx
Sekata se v točki s koordinatama
x(t) = a(1minus t2) y(t) = at(1minus t2)
To sta ravno parametrični enačbi krivulje K tako da velja Kprimes =K
Podobno ugotovimo tudi da je premica x = a nožiščna krivulja za para-
bolo Kq Premica x = a je tangenta te parabole v temenu V splošnem je
temenska tangenta parabole kar njena nožiščna krivulja glede na gorišče
Ugotovili smo torej da je nožiščna krivulja krivulje Kr spremljajoča para-
bola krivulje K
Ekstremne točke nožiščne krivulje Kprime
Ekstremne točke na zanki krivulje Kprime dobimo iz odvodov
x(t) =2at(1minus t2)(3t2 +1)(9t4 +2t2 minus3)
(9t4 minus2t2 +1)2
y(t) =2a(t2 minus1)(3t2 +1)(3t4 +6t2 minus1)
(9t4 minus2t2 +1)2
Za t = 0 doseže v točki D(a0) abscisa svojo največjo vrednost Za t = plusmn1
poteka krivulja skozi točko O kjer sama sebe preseka pod pravim kotom
ker je yprime(0) = (yx)(plusmn1) = ∓1
35
Najmanjšo absciso na zanki ima krivulja Kprime v točki ki jo določa para-
meter t za katerega velja pogoj 9t4 +2t2 minus3 = 0 To je bikvadratna enačba
katere realni rešitvi sta tplusmn = plusmnradic
2radic
7minus13 ustrezni točki na krivulji pa
izračunamo z enačbama (4) in dobimo
Xplusmn(a(17minus7radic
7)27plusmnaradic
74radic
7minus17227)
Ekstremni ordinati na zanki ima krivulja takrat za tisto vrednost para-
metra t za katerega velja pogoj 3t4 + 6t2 minus 1 = 0 Realni rešitvi te bi-
kvadratne enačbe sta tplusmn = plusmn(3radic
2minusradic
6) 4radic
36 ustrezni točki na krivulji pa
Yplusmn(a(3minusradic
3)3plusmna 4radic123)
Ker v koordinatah ekstremnih točk nastopajo poleg osnovnih aritmetičnih
operacij le kvadratni in bikvadratni (četrti) koreni so te točke konstruk-
tibilne
Cisoida
Spoznali smo enega od načinov pridobivanja novih ravninskih krivulj iz
danih to je z nožišči izbrane točke na tangentah dane krivulje Krivulji
s tem priredimo nožiščno krivuljo glede na izbrano točko Drug tak pre-
prost način kako iz znanih krivulj dobimo nove je cisoidni način Kako
pa ta poteka
Denimo da sta znani krivulji K1 in K2 ter točka O ki ležijo v isti
ravnini Pri tem sta K1 in K2 taki krivulji da vsaka premica p skozi O
ki seka K1 v neki točki T1 seka tudi K2 recimo v točki T2 (slika 18) Za
vsak T1 označimo na p točko T tako da veljaETHOT =
ETHETHT1T2 Ko T1 potuje po
K1 T opiše krivuljo C ki jo imenujemo cisoida krivulj K1 in K2 glede na
točko O Definicije take cisoide se nekoliko razlikujejo od vira do vira
36
Slika 18 Krivulja C je cisoida krivulj K1 in K2 glede na točko O
Dioklova cisoida s katero rešimo problem podvojitve kocke je cisoida
krožnice x2 + y2 = ax in premice x = a glede na koordinatno izhodišče O
Več o cisoidah in njihovi uporabi je napisanega na primer v [8]
Krivulja K je povezana tudi s polkubično ali semikubno ali Neilovo
parabolo poimenovano po Williamu Neilu (1637ndash1680) Parametrični
enačbi (3) lahko zapišemo v vektorski obliki v standardni bazi kot razliko
kolinearnih vektorjev
r(t) = (x(t)y(t)) =ETHOT = (a(1minus t2)at(1minus t2)) = (aat)minus (at2at3)
Vektor r1(t) = (aat) = (a0)+at(01) je enačba premice x = a v parametrični
obliki vektor r2(t) = (at2at3) pa polkubične parabole ki ima enačbo ay2 =
x3 in ost v točkiO Parameter t geometrijsko pomeni tangens naklonskega
kota premice OA (slika 13)
Premica y = tx poteka skozi koordinatno izhodišče O in seka premico
x = a v točkiA(aat) zato jeETHOA = r1 Ista premica seka polkubično parabolo
P ki ima enačbo ay2 = x3 v točki P (at2at3) tako da jeETHOP = r2 S tem je
ETHPA =
ETHOAminus
ETHOP = r1minus r2 = r To pomeni da je r =
ETHOT =
ETHOAminus
ETHOP Potemtakem
je krivulja K cisoida polkubične parabole P z enačbo ay2 = x3 in premice
37
Slika 19 De Slusova perla K kot cisoidna krivulja
x = a glede na točko O (slika 19)
Neilova parabola in ločna dolžina
Neilova ali polkubična parabola ay2 = x3 je bila v zgodovini matematike
pomembna kot ena prvih krivulj za katero so znali izračunati ločno dolžino
Prav prvi je to znal John Wallis (1616ndash1703) leta 1657
Denimo da nas zanima ločna dolžina `(b) te krivulje nad intervalom
[0b] (slika 20) Znano je da lahko uporabimo formulo za ločno dolžino
krivulje ki je dana v eksplicitni obliki
`(b) = intb
0
radic
1+yprime2dx
Pri tem je y = f (x) enačba krivulje in yprime = f prime(x) V našem primeru je y =
38
Slika 20 Neilova ali polkubična parabola
f (x) = plusmnradicx3a Kratek račun nam da yprime2 = 9x(4a) in
`(b) = intb
0
radic
1+9x4adx
Z uvedbo nove integracijske spremenljivke u z relacijo u2 = 1 + 9x(4a)
dobimo
`(b) =8a9 int
c
1u2du =
8a27
(c3 minus1)
pri čemer je c =radic
1+9b(4a)
Leibnizeva izohrona je krivulja po kateri se je leta 1687 vprašal G W
Leibniz Poiskati je treba v navpični ravnini krivuljo po kateri se brez
trenja giblje točkasta masa ki je podvržena konstantnemu težnostnemu
polju tako da je navpična komponenta njene hitrosti ves čas konstantna
Nalogo je prvi rešil C Huygens nizozemski astronom fizik in matema-
tik znan tudi po odkritju Saturnovega satelita Titana in znamenitih Sat-
urnovih obročev ter po izdelavi prve ure na nihalo kar je bilo za tiste čase
velik napredek v merjenju točnega časa
39
Slika 21 Leibnizeva izohrona
Izhodišče O postavimo v najvišjo točko krivulje (slika 21) V tej točki
je horizontalna hitrost premikajoče se mase m enaka 0 Naj bo v0 njegova
navpična hitrost navzdol Os y je vodoravna os x pa usmerjena navz-
dol Potencialno energijo mase računamo nad izbranim nivojem spodaj V
skladu z načelom ohranitve mehanske energije v času t in času 0 potem
velja12mv2(t)+mg(hminusx(t)) =
12mv2
0 +mgh
Pri tem je g težni pospešek Po poenostavitvi dobimo v2(t) = 2gx(t)+ v20
Vektor hitrosti ima v vsakem trenutku med seboj pravokotni komponenti
v(t) = (x(t) y(t)) za t = 0 pa v(0) = (v00) Upoštevamo da je ∣v(t)∣2 =
v2(t) = x2(t) + y2(t) in da je x(t) = v0 pa imamo sistem diferencialnih
enačb
x(t) = v0 y(t) =radic
2gx(t)
ki ga rešimo pri začetnih pogojih x(0) = y(0) = 0 in dobimo
x(t) = v0t y(t) =23
radic2gv0t3
40
Koordinati točk na dobljeni krivulji zadoščajo enačbi
ay2 = x3 a =9v2
0
8g
Pri dani konstanti a je v0 = (23)radic
2ag Iskana krivulja je torej Neilova
parabola Ime izohrona je dobila zato ker točkasta masa po vertikali
v enakih časih prepotuje enake razdalje V grščini beseda ἴσος pomeni
rdquoenakrdquo χρόνος pa rdquočasrdquo
Dolžina ` zanke krivulje K nas pripelje do zapletenega eliptičnega in-
tegrala za katerega zapišimo približno vrednost
` = 2aint1
0
radic9t4 minus2t2 +1dt ≐ 271559186a
Pač pa je dolžina loka ` četrtkubične parabole Ks ogrinjače premic s bolj
prijazna Za dolžino loka od točke D ki ustreza parametru t = 0 do točke
ki ustreza parametru t = α dobimo
` = 12aintα
0t2
radic1+ t2dt =
3a2
(α(1+2α2)radic
1+α2 minus ln(α +radic
1+α2))
Prav tako dolžina loka ` navadne parabole Kq ogrinjače premic q ne
dela težav Za dolžino loka od točke D ki ustreza parametru t = 0 do
točke ki ustreza parametru t = α dobimo
` = 2aintα
0
radic1+ t2dt = a(α
radic1+α2 + ln(α +
radic1+α2))
Za spremljajočo parabolo dobimo prav tako enostaven rezultat za ločno
dolžino od točke O do točke ki ustreza parametru t = α
` = intα
0
radic1+4t2dt =
a4(2α
radic1+4α2 + ln(2α +
radic1+4α2))
Nazadnje zapišimo še ločno dolžino polkubične parabole Kr
` = 6aintα
0tradic
1+ t2dt = 2a((1+α2)radic
1+α2 minus1)
41
Pri vseh zgornjih primerih je parameter t strmina premice p v prvotni
konstrukciji krivulje K
Ploščine in prostornine
Ploščina S lika ki ga omejuje zanka krivulje K je
S =2radica int
a
0xradicaminusxdx
Z uvedbo nove integracijske spremenljivke t z relacijo aminusx = t2 je
S =4radica int
radica
0t2(aminus t2)dt =
4radica int
radica
0(at2 minus t4)dt =
8a2
15
Lahko pa jo izrazimo tudi s splošno formulo ki smo jo izpeljali na začetku
razdelka S to formulo lahko izrazimo še prostornino V telesa ki ga pri
rotaciji okoli osi x opiše lik
V =πa int
a
0x2(aminusx)dx =
πa3
12
To je ravno polovica prostornine krogle s premerom a
Pač pa je izraz za ploščino S prime lika ki ga omejuje zanka krivulje Kprime bolj
zapleten izraz Uporabimo parametrični enačbi (4) in dobimo
S prime = int1
0(x(t)y(t)minus x(t)y(t))dt = 2a2
int
1
0
(1minus t2)3(1+2t2 minus3t4)(9t4 minus2t2 +1)2 dt
Če se zanesemo na računalniško računanje določenih integralov potem je
S prime =2a2
729(3(43πminus28)+52
radic2ln(1+
radic2))
kar je približno S prime ≐ 1059206796a2 Do enakega rezultata pridemo z
navidez enostavnejšo formulo
S prime = 2inta
0y(x)dx
42
toda drugim težjim integralom
S prime = 2int0
1y(t)x(t)dt = minus8a2
int
1
0
t2(1minus t2)3(3t2 +1)(9t4 +2t2 minus3)(9t4 minus2t2 +1)3 dt
Zakaj smo integrirali po parametru t od 1 do 0 Zato ker abscisa x narašča
od 0 do a ko t pada od 1 do 0 Ordinata y pa je pri tem nenegativna (glej
izraza (4))
Tudi izraz za prostornino V prime telesa ki ga pri rotaciji okoli osi x opiše
lik omejen s Kprime je navidez enostaven
V prime =πinta
0y2(x)dx
toda s parametrom t je zapleten a eksaktno izračunljiv
V prime =πint0
1y2(t)x(t)dt = 8πint
1
0
t3(t2 minus1)5(3t2 +1))(9t4 +2t2 minus3)(9t4 minus2t2 +1)4 dt
Za rezultat dobimo
V prime =2πa3
19683(431π
radic2+369+744ln2)
kar je približno V prime ≐ 08936800975a3
Naj bo s tem računanja integralov dovolj V nadaljevanju se bomo
posvetili nekaterim lažjim problemom
Tangenta
Pri krivuljah v koordinatnem sistemu Oxy so pomembni štirje dotikalni
elementi za posamezne točke T odsek na tangenti ∣TA∣ odsek na normali
∣T B∣ subtangenta ∣AT prime∣ in subnormala ∣BT prime∣ (slika 23) Izražajo se takole
∣TA∣ = ∣y
yprime
radic
1+yprime2∣ ∣T B∣ = ∣yradic
1+yprime2∣ ∣T primeA∣ = ∣y
yprime∣ ∣T primeB∣ = ∣yyprime∣
43
Slika 22 Ploščini likov omejenih z zankama krivulj K in Kprime
Pri tem pomeni yprime = f prime(x) če je enačba krivulje y = f (x) Točka T prime je pra-
vokotna projekcija točke T na abscisno os A je presečišče tangente na
krivuljo v točki T z osjo x B pa presečišče normale z osjo x Dotikalni
elementi so posebej definirani tudi za krivulje v polarnih koordinatah
Slika 23 Dotikalni elementi krivulje
De Sluse je za algebrsko krivuljo f (xy) = 0 po svoje našel izraz za sub-
tangento ts to je pravokotno projekcijo odseka na tangenti
44
na os x V današnji pisavi se subtangenta izraža v obliki
ts = minusy
partfparty (xy)
partfpartx (xy)
Za krivuljo K je f (xy) = ay2 minusx2(aminusx) = 0 in
ts =2x(xminusa)3xminus2a
Lotimo se še konstrukcije tangente t in normale n naK v točki T0(x0y0) ne
O ki enolično določa točko A(aay0x0) kot presečišče premice p skozi O
in T0 s premico x = a Skozi A povlecimo vzporednico nprime z normalo n na K
v točki T0 Normala ima smerni koeficient kn = tsy0 oziroma
kn =
partfparty (x0y0)
partfpartx (x0y0)
=2ay0
x0(3x0 minus2a)
Premica nprime ima enačbo
y minusay0
x0=
2ay0
x0(3x0 minus2a)(xminusx0)
in preseka abscisno os v točki T1(x10) za katero po krajšem računu do-
bimo x1 = 2a minus 3x02 Točko T1 in premico nprime zlahka geometrijsko kon-
struiramo Iskana tangenta t v točki T0 je pravokotna na nprime normala n pa
vzporedna z nprime (slika 24)
Inverzija krivulje K na krožnici
Po navadi za ravninske krivulje pogledamo še njihove inverzne slike na
krožnici Inverzija ali zrcaljenje na krožnici x2 + y2 = r2 je ravninska pres-
likava ι definirana s predpisom
ι ∶ (xy)↦ (r2x
x2 +y2 r2y
x2 +y2)
45
Slika 24 Tangenta in normala na krivuljo K
S spreminjanjem polmera r krožnice dobimo med seboj podobne krivulje
Če zrcalimo na krožnici x2 + y2 = a2 krivuljo K ki ima implicitno enačbo
(2) dobimo krivuljo Klowast ki ima enačbo
y4 = minusx3(aminusx)
ki je formalno oblike (2) zam = 4n = 3p = 1 in k = minus1 Dobljena krivuljaKlowast
je simetrična glede na os x ima dve veji abscisa na njej doseže ekstremni
vrednosti v točkah O(00) in D(a0) Ima pa kot bomo videli tudi dve
asimptoti y = xminusa4 in y = minusx+a4 (slika 25)
Krivuljo Klowast se da lepo parametrizirati s parametrom τ če v njeno
enačbo y4 = minusx3(aminusx) vstavimo y = τx Dobimo
x(τ) =a
1minusτ4 y(τ) =aτ
1minusτ4
To sta parametrični enačbi krivulje Klowast
Ko τ uarr minus1 x(τ)rarr minusinfin in y(τ)rarr +infin ko τ darr minus1 x(τ)rarr +infin in y(τ)rarr minusinfin
ko τ uarr +1 x(τ)rarr +infin in y(τ)rarr +infin ko τ darr +1 x(τ)rarr minusinfin in y(τ)rarr minusinfin
46
Slika 25 Inverzna slika Klowast krivulje K
Konstanti k in n poševne asimptote y = kx + n krivulje Klowast dobimo s
formulama
k = limxrarrplusmninfin
y
x n = lim
xrarrplusmninfin(y minus kx)
V našem primeru je
k = limxrarrplusmninfin
y
x= limτrarrplusmn1
τ = plusmn1 n = a limτrarrplusmn1
τ ∓11minusτ4 = ∓
a4
Poševni asimptoti sta torej premici y = plusmn(xminusa4)
Obnašanje krivulje v okolici točke D utemeljimo če zapišemo impli-
citno obliko krivulje nekoliko drugače
y4 = (xminusa)x3 = (xminusa)(a+(xminusa))3 = a3(xminusa)+3a2(xminusa)2+3a(xminusa)3+(xminusa)4
47
Slika 26 Krivulja Klowast in približka v okolici točk O in D
Za x ki je zelo blizu a prevlada na desni prvi člen tako da je y4 asymp a3(xminusa)
Razlika xminusa se torej obnaša približno tako kot bikvadrat ordinate y
V okolici točke O kjer so abscise negativne iz istega razloga velja y4 asymp
minusax3 zato se tam krivulja obnaša približno tako kot četrtkubična parabola
(slika 26)
Inverzija krivulje Kprime na krožnici
Na krožnici x2 + y2 = a2 zrcalimo še krivuljo Kprime nožiščno krivuljo krivulje
K glede na točko O Dobimo dvodelno krivuljo Kprimelowast kakršno vidimo na
sliki 27
Enačba nove krivulje v implicitni obliki je
4(x2 minusy2)2 minus4ax(x2 minus9y2)minus27a2y2 = 0
48
Slika 27 Inverzna slika Kprimelowast krivulje Kprime
Krivulja je algebrska četrte stopnje je simetrična glede na os x ima ost
z vodoravno tangento v točki O skozi točko D pa poteka v blagem loku
Natančneje ugotovimo približni potek krivulje v okolici teh dveh točk če
v zgornji enačbi obdržimo prevladujoče člene V okolici točke O kjer so
abscise negativne je ay2 asymp minus4x327 torej približno tako kot polkubična
parabola V okolici točke D(a0) je y2 asymp minus4a(x minus a) kar pomeni da se
krivulja obnaša približno tako kot parabola
Pritisnjeni krožnici na K
Pritisnjeni krožnici v točki O na krivuljo K sta inverzni sliki asimptot
krivulje Klowast na krožnici x2 + y2 = a2 Preprost račun pokaže da se asimp-
toti krivulje Klowast z inverzijo ι preslikata v krožnici x2 + y2 plusmn4ay minus4ax = 0 ki
imata središči v točkah Splusmn(2aplusmn2a) in polmer 2aradic
2 Sekata se pavokotno
v točkah O in M(4a0) Inverzija ι namreč ohranja kote (slika 28)
49
Slika 28 Pritisnjeni krožnici na krivuljo K v točki O
Ukrivljenost κ(t) krivulje K v točki ki ustreza parametru t brez težav
izračunamo iz njenih parametričnih enačb (3)
κ(t) =2(3t2 +1)
a(1minus2t2 +9t4)32
V posebnem primeru je v točki O to se pravi za t = plusmn1 ukrivljenost enaka
κ(plusmn1) = 1(2aradic
2) zato sta v O polmera pritisnjenih krožnic 1κ(plusmn1) =
2aradic
2 kar se seveda ujema z rezultatom dobljenim z inverzijo na krožnici
Toksoida
Videli smo da je inverzna slika krivulje K krivulja Klowast ki ima enačbo y4 =
minusx3(aminusx) ki je formalno oblike (2) zam = 4n = 3p = 1 in k = minus1 Prav tako
je krivulja ay2 = minusx2(aminus x) ki jo dobimo iz enačbe ay2 = x2(aminus x) krivulje
K če zamenjamo aminus x z x minus a formalno oblike (2) za m = 2n = 2p = 1 in
50
k = minus1a Krivuljo označimo jo s T ki ima enačbo
ay2 = x2(xminusa)
je nemški amaterski matematik samouk in izumitelj Diedrich (tudi Diede-
rich) Uhlhorn (1764ndash1837) imenoval rdquotoksoidardquo V svojem delu [13] obrav-
nava več krivulj in za nekatere tudi opiše mehanske naprave s katerimi
se jih da risati pa tudi njihovo uporabo pri reševanje enačb Beseda rdquotok-
soidardquo izvira iz dveh grških τόξον kar pomeni rdquolokrdquo (kot orožje) pa tudi
rdquopuščicardquo in εἶδος kar med drugim pomeni rdquooblika podobardquo D Uhlhorn
je imenoval krivuljo v nemščini rdquoBogenlinierdquo ker nemški samostalnik rdquoBo-
genrdquo pomeni prav tako rdquolokrdquo Iz besede τόξον smo dobili tudi besede ki
so povezane s strupi kajti bojne puščice so bile često zastrupljene
Slika 29 Toksoida
Toksoida ima tudi izolirano točkoO(00) saj njeni koordinati zadoščata
implicitni enačbi
Iz implicitne enačbe toksoide dobimo z zamenjavo y = tx njeni parametri-
čni enačbi
x(t) = a(1+ t2) y(t) = at(1+ t2) (5)
ki pa ne vključujeta izolirane točke O
51
Toksoida je algebrska krivulja tretje stopnje simetrična glede na os x
ki jo preseka za t = 0 v točki D(a0) kjer ima navpično tangento Krivulja
na prvi pogled ni nič posebnega a že D Uhlhorn je pokazal kako se kon-
struira njene posamezne točke in kako se z njo podvoji kocko
Slika 30 Konstrukcija točk toksoide
Do točke T na toksoidi pridemo takole V koordinatnem sistemu Oxy
za pozitiven a določimo točko D(a0) in skoznjo konstruiramo pravokot-
nico na os x torej premico x = a (slika 30) Na tej premici izberemo točko
A ki jo bomo spreminjali da bomo dobili krivuljo Skozi O in A nato
načrtamo premico p v A pa nanjo pravokotnico q ki seka abscisno os v
točki B V B postavimo na abscisno os pravokotnico r ki preseka premico
p v točki T Ko A potuje po premici x = a točka T opiše toksoido T brez
izolirane točke O
Da res dobimo toksoido T je treba samo zapisati enačbi y = tx premice
p in y = minus(x minus a)t + at premice q ter točki A(aat) in B(a(1 + t2)0) ter
T (a(1+t2)at(1+t2)) Koordinati točke T pa res dasta paramatrični enačbi
52
toksoide
Slika 31 Konstrukcija srednjih geometrijskih sorazmernic s toksoido
Iz podobnih trikotnikov ODA OAB in OBT na sliki 30 sledi relacija
∣OD ∣
∣OA∣=∣OA∣
∣OB∣=
∣OB∣∣OT ∣
kar pomeni da sta ∣OA∣ in ∣OB∣ srednji geometrijski sorazmernici daljic
∣OD ∣ = a in ∣OT ∣ = b Zato lahko izrazimo ∣OA∣ =3radica2b in ∣OB∣ =
3radicab2 na isti
način kot pri (3)
Če imamo že načrtano toksoido T potem srednji geometrijski sorazmer-
nici za a in b gt a dobimo tako da poiščemo presečišče T krožnice s sredi-
ščem v O skozi točko C(b0) in na zgoraj opisan način poiščemo premice
pq in r ter točki A in B (slika 31) Za b = 2a na ta način rešimo problem
podvojitve kocke ∣OA∣ = a 3radic
2
Ukrivljenost κ(t) toksoide T v točki ki ustreza parametru t brez težav
53
izračunamo iz njenih parametričnih enačb (5)
κ(t) =2(3t2 minus1)
a(1+10t2 +9t4)32
Opazimo da ukrivljenost menja predznak pri t = plusmn1radic
3 kar nam da točki
Pplusmn(4a3plusmn4aradic
39) v katerih ima T prevoja s tangentama s smernima koe-
ficientoma plusmnradic
3 Tangenti oklepata z osjo x kota plusmnπ3 Pritisnjena krožnica
v točki D ki ustreza t = 0 ima za polmer 1∣κ(0)∣ = a2 in središče v točki
S(3a20) (slika 32)
Slika 32 Prevoja toksoide T in pritisnjena krožnica v točki D
Prevoja sta konstruktibilna pri čemer si lahko pomagamo z vesico pis-
cis nad daljico OD Njeni točki Vplusmn sta narazen za aradic
3 premici skozi O
in Vplusmn pa določata smeri tangent v prevojih Prav tako je konstruktibilna
točka S V okolici točk D in Pplusmn je ujemanje toksoide s pritisnjeno krožnico
v D in tangentama v prevojih Pplusmn zelo dobro
54
Enačba toksoide T v polarnih koordinatah in ϕ je
(ϕ) =a
cos3ϕ
kar sledi iz njene implicitne oblike
a(x2 +y2) = x3
Pri tem je treba le upoštevati zvezi x2 +y2 = 2 in x = cosϕ
Polarna oblika je zelo primerna za študij inverzije na krožnici s središčem
v točki O in polmerom R Če je namreč lowast polarni polmer invertirane
krivulje mora veljati relacija
(ϕ)lowast(ϕ) =R2
Če izberemo R = a dobimo za inverzno sliko toksoide T krivuljo (slika 33)
T lowast ki ima nasledno enačbo v polarnih koordinatah
lowast(ϕ) = acos3ϕ
Slika 33 Inverzna slika T lowast toksoide T
55
Iz polarne oblike krivulje T lowast hitro izpeljemo še njeno implicitno enačbo
(x2 +y2)2 = ax3
Torej je T lowast algebrska krivulja četrte stopnje
Ploščino S lika ki ga ograjuje krivulja T lowast izračunamo po znani for-
muli
S = 2 sdot12 int
π2
0lowast2(ϕ)dϕ = a2
int
π2
0cos6ϕdϕ = a2 sdot
56
sdotπ2=
5πa2
32
Krivulja T lowast je simetrična glede na os x v točkah O in D ima navpični
tangenti največji odklon od osi x pa doseže v točkah Yplusmn(9a16plusmn3aradic
316)
kjer ima vodoravni tangenti in sicer pri polarnih kotih plusmnπ6
De Slusove pomnoževalke hiperkock
Podvojitev kocke je kot vemo klasični grški geometrijski problem ki se ga
ne da rešiti evklidsko to je samo z neoznačenim ravnilom in šestilom kar
so dokazali šele v 19 stoletju Problem zahteva določiti rob kocke ki ima
prostornino enako dvakratniku prostornine dane kocke To pomeni da
je treba za dano daljico a konstruirati tako daljico b za katero je b = a 3radic
2
Problem podvojitve kocke so Grki znali rešiti na več načinov Eden od njih
je možen s posebno ravninsko krivuljo z Dioklovo cisoido (več na primer
v [7])
Povsem smiselno se je vprašati kako bi pomnožili s faktorjem s gt 0
poljubno r-razsežno hiperkocko z robom a Njena prostornina je ar zato
je b = a rradics rob hiperkocke katere prostornina je s-kratnik prostornine
hiperkocke z robom a Dva primera sta trivialna Za r = 1 imamo daljico
56
njena rdquoprostorninardquo je kar njena dolžina a za r = 2 pa kvadrat čigar rdquopros-
torninardquo je kar njegova ploščina a2 Za r = 3 imamo opraviti z običajno
kocko z običajno prostornino a3 V prvih dveh primerih množenje s fak-
torjem s ni problematično saj s problemom lahko geometrijsko rešimo s
podobnimi trikotniki in z višinskim izrekom v pravokotnem trikotniku
Za r ge 4 si r-razsežno hiperkocko teže predstavljamo ker je ne moremo
realizirati z običajno geometrijo To pa ni ovira pri pomnožitvi take hiper-
kocke s številom s ker moramo znati samo njen rob a geometrijsko pom-
nožiti s številom rradics kar pa lahko naredimo v običajni ravnini V mate-
matični analizi je r-razsežna hiperkocka z robom a na primer kar r-kratni
kartezični produkt intervala [minusa2a2] s samim seboj to je množica
[minusa2a2]r = (x1x2 xr) isinRr ∶ ∣x1∣ le a2 ∣x2∣ le a2 ∣xr ∣ le a2
Oglejmo si de Slusove perle (2) z eksponenti mn =mminus 1 in p = 1 fak-
torjem k = 1 ter a gt 0 pri čemer je m sodo število to se pravi krivulje z
implicitno enačbo
ym = xmminus1(aminusx) (6)
oziroma xm + ym = axmminus1 Pri danem m označimo ustrezno krivuljo s Hm
Med njimi je tudi stara znanka x2 + y2 = ax krožnica s polmerom a2
in središčem v točki S(a20) Skupne vsem krivuljam so točke O(00)
Cplusmn(a2plusmna2) D(a0) ter navpični tangenti v O in D Krivulje Hm so za-
ključene in simetrične glede na os x in se dajo lepo parametrizirati z y = tx
Za vsako dobimo parametrično enačbo
x(t) =a
1+ tm y(t) =
at1+ tm
(7)
Najbolj se taka krivulja oddalji od abscisne osi za t = 1 mradicmminus1 v točkah
Yplusmn(a(mminus1)mplusmnam mradic
(mminus1)mminus1) Za t = 0 dobimo točko D za ∣t∣rarrinfin pa
57
se krivulja bliža točki O Slika 34 kaže nekaj primerov
Slika 34 Nekaj krivulj Hm
Naj bo s poljubno pozitivno število in A(0as) točka na osi y Premica
skozi A in D preseka krivuljo Hm v točkah D(a0) in B(x0y0) za katero
potrebujemo samo razmerje y0x0 Na sliki 35 je izbran eksponent m = 4
Premica skozi A in D ima enačbo xa+sya = 1 iz katere izrazimo aminusx = sy
in vstavimo v enačbo (6) Dobimo ym = ysxmminus1 Ker iščemo točko B s
pozitivno ordinato lahko z y krajšamo in dobimo y0x0 =mminus1radics
Premica skozi O in B ima enačbo y = y0xx0 in preseka premico x = a
v točki C(aay0x0) oziroma C(aa mminus1radics) Zato je ∣DC∣ = ∣OD ∣ mminus1
radics) V
primeru m = 4 in s = 2 je ∣DC∣ = ∣OD ∣3radic
2) kar pomeni da se nam je pos-
rečilo podvojiti trirazsežno kocko Za s = 3 kocko potrojimo za s = 4
početverimo itd Še več zam = 6 in s = 2 podvojimo 5-razsežno hiperkocko
58
za s = 3 jo potrojimo za s = 4 početverimo itd
Slika 35 Krivulja H4 in pomnožitev roba trirazsežne kocke
Lihih m nam ni treba posebej obravnavati ker krivulje Hm ne bi bile
prave de Slusove perle Poleg tega bi tedaj bil mminus 1 sodo število denimo
m minus 1 = 2αq z naravnim α in lihim q Korenjenje se potem da izvesti z
α-kratnim kvadratnim korenjenjem in enim q-tim korenjenjem s krivuljo
Hq+1 kakor smo zgoraj opisali
Drug način za pomnožitev hiperkock poteka s cisoidami Cm krivuljHm
in premice x = a Pri parametru t premica y = tx preseka premico x = a
v točki C(aat) točka B pa ima tedaj koordinati dani z parametričnima
enačbama (7) S koordinatami točk B in C imamo takoj
ETHBC = (aminus
a1+ tm
at minusat
1+ tm) = (
atm
1+ tmatm+1
1+ tm)
59
Slika 36 Nekaj krivulj Cm
Da bo točka T na cisoidi Cm mora veljati zvezaETHOT =
ETHBC Potemtakem ima
Cm parametrični enačbi
x(t) =atm
1+ tm y(t) =
atm+1
1+ tm (8)
Ker je t = yx dobimo še implicitno enačbo krivulje Cm
xm+1 = ym(aminusx) (9)
oziroma x(xm+ym) = aym Krivulje so za sodem definirane nad intervalom
60
[0a) so simetrične glede na os x imajo za asimptoto premico x = a in
potekajo skozi koordinatno izhodišče O in točki Cplusmn(a2plusmna2) Asimptoti
se krivulja bliža ko ∣t∣ rarr infin V točki O pri t = 0 imajo ost z vodoravno
tangento Za m = 2 dobimo staro znanko Dioklovo cisoido
Slika 37 Krivulja C4 in pomnožitev roba 5-razsežne hiperkocke
Izberimo sedaj na ordinatni osi točko A(0as) pri čemer je s pozi-
tivno število in vzemimo premico skozi točki A in D (slika 37) Ta ima
enačbo xa + y(as) = 1 iz katere izrazimo a minus x = ys Premica preseka
cisoido Cm v točki M(x0y0) s pozitivno ordinato Iz enačb premice skozi
A in D in (9) dobimo y0x0 = m+1radics Premica skozi točki O in M ima
enačbo y = y0xx0 in preseka premico x = a v točki E(aa m+1radics) Torej velja
61
zveza ∣DE∣ = ∣OD ∣ m+1radics kar pomeni da smo našli rob (m + 1)-razsežne
hiperkocke ki ima za prostornino s-kratnik prostornine dane (m + 1)-
razsežne hiperkocke
Naj bo Sm ploščina lika ki ga omejuje krivulja Hm in Qm ploščina
neomejenega lika ki ga omejuje krivulja Cm z asimptoto Ni ju težko
izraziti
Pm =a2(mminus1)πm2 sin π
m Qm =
a2(m+1)πm2 sin π
m
Nadalje naj bo Vm prostornina telesa ki nastane z rotacijo krivulje Hm
okoli osi x Wm pa prostornina neomejenega telesa ki nastane z rotacijo
krivulje Cm okoli osi x Prav tako ju ni težko izraziti
Vm =2a3(mminus1)(mminus2)π2
3m3 sin 2πm
Wm =2a3(m+1)(m+2)π2
3m3 sin 2πm
Ploščine in prostornine so poleg drugega zanimale že matematike v
17 stoletju zlasti C Huygensa Izračunajmo prostornino telesa Um ki
nastane z rotacijo lika med cisoido in njeno asimptoto okoli te asimptote
(slika 38) Uporabili bomo sodobne zapise in Eulerjevi funkciji B in Γ ki
ju C Huygens še ni mogel poznati Presek nastalega telesa na višini y je
krog s polmerom aminusx in ploščino π(aminusx)2 Upoštevamo še simetrijo lika
glede na os x uporabimo parametrično obliko (8) in nastavimo integral
Um = 2πintinfin
0(aminusx(t))2y(t)dt = 2πa3
int
infin
0
tm(tm +m+1)(1+ tm)4 dt
ki ga lahko izrazimo v obliki
Um = 2πa3(I2 + (mminus1)I3 minusmI4)
pri čemer je
Ik = intinfin
0
dt
(1+ tm)k
62
ki ima za m ge 2 in k ge 1 končno vrednost S substitucijo u = 1(1 + tm)
dobimo
Ik =1m int
1
0ukminus1minus1m(1minusu)1mminus1du =
1m
B(kminus1m1m) =Γ(k minus1m)Γ(1m)
mΓ(k)
Na koncu je rezultat zelo preprost
Um =2π2a3(m2 minus1)
3m3 sin πm
Prve tri prostornine so
U2 =π2a3
4 U4 =
5radic
2π2a3
32 U6 =
35π2a3
162
Slika 38 Telo nastalo z zasukom lika med krivuljo C2 in njeno asimptoto
okoli te asimptote
Izračunajmo prostornino telesa Um ki nastane z rotacijo lika med cisoido
in njeno asimptoto okoli osi y (slika 39) Presek nastalega telesa na višini y
63
je krožni kolobar z notranjim polmerom x in zunanjim polmerom a ki ima
ploščino π(a2minusx2) Upoštevamo še simetrijo lika glede na os x uporabimo
parametrično obliko (8) in nastavimo integral
Um = 2πintinfin
0(a2 minusx2(t))y(t)dt = 2πa3
int
infin
0
tm(tm +m+1)(2tm +1)(1+ tm)4 dt
ki ga lahko izrazimo z zgoraj vpeljanimi integrali Ik v obliki
Um = 2πa3(2I1 + (2mminus3)I2 minus (3mminus1)I3 +mI4)
Na koncu dobimo za rezultat
Um =2π2a3(m+1)(2m+1)
3m3 sin πm
Prve tri prostornine so
U2 =5π2a3
4 U4 =
15radic
2π2a3
32 U6 =
91π2a3
162
V 17 stoletju so se zanimali tudi za težišča homogenih likov in teles
Lik ki ga omejuje krivulja Hm ima težišče na abscisni osi oddaljen za xT
od osi y Da bi lahko poiskali xT moramo najprej izračunati za ta lik
moment
Mm = 2inta
0xy dx = 2int
0
infinx(t)y(t)xdt = 2a3mint
infin
0
tm
(1+ tm)4 dt
Izrazimo z integrali Ik in dobimo
Mm = 2a3m(I3 minus I4) =πa3(mminus1)(2mminus1)
3m3 sin πm
Abscisa težišča lika je potem kvocient momenta Mm in ploščine Sm
xT =(2mminus1)a
3m
64
Slika 39 Telo nastalo z zasukom lika med krivuljo C2 in njeno asimptoto
okoli osi y
Lik omejen s krivuljo Cm ima težišče na abscisni osi oddaljen za xC
od osi y Da bi poiskali xC uporabimo kar PaposndashGuldinovo pravilo za
prostornino vrtenine
2πxC sdotQm = Um
kjer je Qm ploščina lika ki ga rotiramo okoli osi y Rezultat je proti vsem
pričakovanjem zelo preprost
xC =(2m+1)a
3m
Poznoantični matematik Papos iz Aleksandrije (290ndash350) v grščini Πάπ-
πος ὁ Αλεξανδρεύς v latinščini Pappus je pomemben ker je zbral prak-
tično vse dotakratno matematično znanje Grkov in dodal še marsikaj svo-
65
jega Njegovo najpomembnejše delo je rdquoZbirkardquo v grščini Συναγωγή Uk-
varjal se je tudi s klasičnimi grškimi geometrijskimi problemi
Jezuit Paul Guldin (1577ndash1643) je bil švicarski matematik in astronom
profesor matematike na Dunaju in v Gradcu Pred tem je študiral v Rimu
Skupaj s Paposom je znan
po pravilih za izračun prostornine rotacijskega telesa in površine rotacij-
ske ploskve
Slika 40 Telo nastalo z zasukom lika ki ga omejuje H4 okoli osi y
ProstorninaXm vrtenine ki nastane z rotacijo lika omejenega s krivuljo
Hm okoli osi y je po PaposndashGuldinovem pravilu za prostornino enaka
Xm = 2πxT sdot Pm = 2π(2mminus1)a
3msdota2(mminus1)πm2 sin π
m=
2π2a3(2mminus1)(mminus1)3m3 sin π
m
Slika 40 kaže vrtenino za primer krivulje H4 Podobne slike bi dobili tudi
za druge Hm
Če isti lik rotiramo okoli premice x = a tangente na krivuljo Hm v
točki D dobimo vrtenino s prostornino Ym ki jo izračunamo prav tako
66
po PaposndashGuldinovem pravilu za prostornino in dobimo
Ym = 2π(aminusxT ) sdot Pm = 2π(m+1)a
3msdota2(mminus1)πm2 sin π
m=
2π2a3(m2 minus1)3m3 sin π
m
Opazimo da je prostornina Ym enaka prostornini Um telesa ki nastane
z rotacijo lika med krivuljo Cm in njeno asimptoto okoli te asimptote
Dokler ni bil razvit infinitezimalni račun kakršnega poznamo danes
so računali ploščine težišča prostornine in površine za vsak primer pose-
bej Veliko so se v 17 stoletju pa tudi že prej znani matematiki ukvarjali
s cikloido na primer N Kuzanski M Mersenne G Galilei G P de Rober-
val C Wren G Cardano B Pascal I Newton G W Leibniz C Huygens
je neko njeno lastnost uporabil pri izdelavi ure na nihalo
Evdoksova kampila
Oglejmo si naslednjo konstrukcijo točk krivulje V točki D(a0) pri čemer
je a gt 0 postavimo pravokotnico p na abscisno os Na p izberemo točko
A ki jo bomo kasneje premikali po tej premici Skozi O in A načrtamo
premico q in skozi A krožnico s središčem v koordinatnem izhodišču O
Krožnica preseka abscisno os v točkah B in Bprime ki sta simetrični glede na
točko O V B in Bprime konstruiramo pravokotnici r in rprime na os x ki presekata
p v točkah T in T prime ki sta tudi simetrični glede na točko O Ko teče točka
A po premici p opišeta T in T prime dvodelno krivuljo ki so jo poimenovali
rdquoEvdoksova kampilardquo Točka T opiše njeno desno vejo T prime pa levo Krivulja
je očitno simetrična glede na obe koordinatni osi (slika 41)
Enačbo desne veje dobljene Evdoksove kampile je najlaže najprej izraz-
iti v polarnih koordinatah nato pa še v implicitni obliki v pravokotnih
67
Slika 41 Konstrukcija točk Evdoksove kampile
kartezičnih koordinatah Za polarni kot ϕ vzamemo naklonski kot pre-
mice q za polarni radij pa razdaljo ∣OT ∣ (slika 41) Najprej očitno veljata
zvezi ∣OA∣ = ∣OD ∣cosϕ = acosϕ in = ∣OT ∣ = ∣OB∣cosϕ = ∣OA∣cosϕ iz
katerih dobimo = acos2ϕ tako da je nazadnje pri pogoju minusπ2 ltϕ ltπ2
polarna enačba desne veje Evdoksove kampile
(ϕ) =a
cos2ϕ (10)
Obe veji krivulje imata implicitno obliko
a2(x2 +y2) = x4 (11)
ki jo dobimo iz polarne oblike z upoštevanjem zvez 2 = x2 + y2 in cosϕ =
x Krivulja v obliki (11) ima izolirano točko O(00) ki je posledica del-
jenja z ki je lahko tudi enak 0 Evdoksova kampila je algebrska krivulja
četrte stopnje
Z Evdoksovo kampilo se da podvojiti kocko Načrtamo krožnico s
središčem v točkiD in polmerom a Njena enačba je x2+y2 = 2ax Vstavimo
68
Slika 42 Podvojitev kocke z Evdoksovo kampilo
2ax namesto x2 + y2 v (11) in dobimo enačbo x4 minus2a3x = x(x3 minus2a3) = 0 ki
ima realni rešitvi x0 = 0 in x1 = a 3radic
2 V prvem kvadrantu se krožnica in
Evdoksova kampila sekata v točki T (a 3radic
2aradic
2 3radic
2minus 3radic
4) kar pomeni da
ima točka T absciso
∣T0T ∣ = b = a 3radic2
Kocka z robom b ima prostornino b3 = 2a3 torej dvakratnik prostornine
kocke z robom a
Grška beseda καμπύλος pomeni rdquokriv zavit upognjenrdquo v ženski ob-
liki καμπύλη beseda γραμμή pa rdquočrta potezardquo Polno ime krivulje je v
grščini καμπύλη γραμμή torej rdquokriva črtardquo na kratko so jo poimenovali kar
rdquokampilardquo kateri so dodali še Evdoksovo ime Evdoks iz Knida (408ndash355
pnš) Εὔδοξος ὁ Κνίδιος je bil starogrški matematik in astronom Bil je
Arhitov učenec v Tarentu grško Τάρας in Platonov na Akademiji v Ate-
nah Obiskal je tudi Sicilijo in Egipt Kasneje je ustanovil svojo šolo v
Kiziku grško Κύζικος ob Mramornem morju ali Propontidi grško Προ-
ποντίς Pomemben je njegov doprinos v teoriji razmerij in nesoizmerljivih
količin kar je uporabil Evklid Εὐκλείδης v svojih Elementih Στοιχεῖα
69
Grška beseda εὔδοξος pomeni med drugim rdquosloveč slaven ugledenrdquo
V astronomiji je Evdoks zagovarjal geocentrični svetovni sistem in za
pojasnitev gibanja planetov in Lune uvedel sistem koncentričnih sfer ki
se vrtijo ena v drugi S tem v zvezi je uvedel še eno krivuljo ki jo poznamo
pod imenom rdquoEvdoksova hipopedardquo
Problem podvojitve kocke je na svojevrsten način s torusom valjem
in stožcem rešil pitagorejec in vojaški poveljnik Arhitas iz Tarenta v južni
Italiji grško Αρχύτας ὁ Ταραντίνος rojen med letoma 435 in 410 umrl
pa med letoma 360 in 350 pnš Morda je Evdoks Arhitovo prostorsko
rešitev problema podvojitve kocke poenostavil na reševanje v ravnini in
tako prišel do svoje kampile Dokazano to ni nikjer ve se le da mu je
rešitev uspelo najti z neko krivuljo Način reševanja pa je podoben reše-
vanju z Uhlhornovo toksoido ki ima tudi podobno enačbo v polarni obliki
(ϕ) = acos3ϕ
Tako Uhlhornova toksoida kot Evdoksova kampila spadata v skupino
Clairautovih krivulj = acosnϕ ali = asinnϕ Če je n racionalno število
je Clairautova krivulja algebrska Alexis Claude Clairaut (1713ndash1765) je
bil francoski matematik in astronom
Evdoksovo kampilo brez izolirane toke O parametriziramo kar s po-
larnim kotom
x(ϕ) =a
cosϕ y(ϕ) =
asinϕcos2ϕ
Njena ukrivljenost κ(ϕ) se izraža v obliki
κ(ϕ) =cos3ϕ(3sin2ϕ minus1)
a(3sin2ϕ +1)32
Ukrivljenost spremeni predznak pri kotu ϕ za katerega je 3sin2ϕ minus1 = 0
V takih točkah ima krivulja prevoje Evdoksova kampila ima štiri in sicer
70
Slika 43 Desna veja Evdoksove kampile prevoja in pritisnjena krožnica
v točkah (plusmnaradic
62plusmnaradic
32) Strmini tangent v teh točkah sta plusmn2radic
2 Os x
presekata za desno vejo v točki G(3aradic
680) Krivinski polmer v točkah
D inDprime je enak a Središče pritisnjene krožnice v točkiD je v točki S(2a0)
Približno ujemanje krivulje tangent v prevojih Pplusmn in pritisnjene krožnice v
temenu D kaže slika 43 Ujemanje bi lahko izkoristili za približno podvo-
jitev kocke Če namesto Evdoksove kampile vzamemo kar njeno tangento
y = 2radic
2(xminusaradic
62)+aradic
32
v prevoju v prvem kvadrantu in poiščemo absciso ξ presečišča s krožnico
x2 +y2 = 2ax dobimo
ξa=
118
radic
24radic
6minus23+
radic6
3+
19≐ 1259956951
namesto točnejše vrednosti
3radic
2a
≐ 1259921049
71
Če bi podoben račun naredili za Uhlhornovo toksoido ki se v prevojih
tudi približno ujema s tangentama bi dobili slabši rezultat
Zgoraj opisani približek lahko izkoristimo za precej natančno evklid-
sko konstrukcijo roba b podvojene kocke z robom a V koordinatnem sis-
temu Oxy narišemo krožnico s polmerom a s središčem v točki D(a0)
skozi O pa konstruiramo premico p z naklonskim koeficientom k = 2radic
2
Na abscisni osi konstruiramo točkoG(3aradic
680) in skoznjo premico q vz-
poredno s p Presečišče te premice s krožnico je točka T njena pravokotna
projekcija na os y pa točka T0 Razdalja b = ∣T0T ∣ je dober približek za
a 3radic
2 (slika 44) Pri tem izkoristimo izraza za diagonalo kvadrata in višino
enakostraničnega trikotnika v katerih nastopataradic
2 inradic
3 s kombinacijo
obeh pa šeradic
6 Podrobnosti so izpuščene z malo truda lahko konstrukcije
izvede vsak sam
Slika 44 Približna podvojitev kocke
Zrcalno sliko Evdoksove kampile (11) na krožnici x2 + y2 = a2 takoj
dobimo iz polarne oblike njene desne veje lowast(ϕ) = acos2ϕ Z zapisom v
pravokotnih kartezičnih koordinatah dobimo implicitno obliko za celotno
prezrcaljeno krivuljo
(x2 +y2)3 = a2x4
72
Krivulja je algebrska šeste stopnje Simetrična je glede na obe koordinatni
osi Njeni največji odkloni od osi x so pri polarnih kotih ϕ za katere je
3sin2ϕ = 1 to je v točkah (plusmn2aradic
69plusmn2aradic
39) kjer ima krivulja vodo-
ravni dvojni tangenti
Slika 45 Zrcaljenje Evdoksove kampile na krožnici
Nova krivulja spada med Clairautove Ploščina P obeh delov jajčastih
oblik je
P = 4 sdota2
2 intπ2
0cos4ϕdϕ = 2a2 sdot
34
sdotπ2=
3πa2
8
Problem podvojitve kocke grško διπλασιασμός τοῦ κύβου ali deloški
problem poimenovan po grškem otoku Delosu v Egejskem morju je reše-
valo več grških geometrov ki so celo skušali izdelati v ta namen posebno
orodje Platon je pograjal Evdoksove Arhitove in Menajhmove učence
češ da njihovi napori kvarijo kar je dobrega v geometriji Nastal je celo
epigram (puščica zbadljivka) v zvezi s podvojitvijo kocke ki je zapisan v
Evtokijevih komentarjih k Arhimedovi razpravi rdquoO krogli in valjurdquo grško
Περὶ σφαίρας καὶ κυλίνδρου Matematik in neoplatonist Evtokij iz Aškalona
v Palestini Εὐτόκιος ὁ Ασκαλονίτης je bil poznoantični matematik rojen
73
okoli leta 480 umrl pa je okoli leta 520 O njem se ve bore malo Nekaj
časa je deloval v Atenah nazadnje pa v Aleksandriji Napisal je tudi ko-
mentarje k Apolonijevi razpravi rdquoStožnicerdquo v grščini Κωνικά Na stožnice
se je v srednjem kar nekoliko pozabilo zanimanje zanje je spet oživelo
šele v času Keplerja in Newtona ko je bil potreben opis gibanja planetov
v heliocentričnem svetovnem sistemu
Navedimo omenjeni epigram v grščini in v prevodu S Weiss (vzeto iz
obsežnega knjižnega dela v treh delih [3])
Μηδὲ σύ γrsquo Αρχύτεω δυσμήχανα ἔργα κυλίνδρων
μηδὲ Μεναιχμείους κωνοτομεῖν τριάδας
διζήσηι μηδrsquo εἴ τι θεουδέος Εὐδόξοιο
καμπύλον ἐν γραμμαῖς εἶδος ἀναγράφεται
Težkih Arhitovih del s cilindri nikar ne posnemaj
stožnic Menajhmovih treh nikdar izsekal ne boš
niti ne boš spoznal če božanskega črte Evdoksa
res zarišejo lik tak iz zavitih kampil
Videli smo kaj vse se da povedati o neki krivulji če obvladamo in-
finitezimalni račun Seveda nam je to sedaj ko imamo na voljo najnovejše
pripomočke in obsežno ter dostopno matematično literaturo veliko laže
kot je bilo matematikom v 17 stoletju ko so v marsičem še orali ledino
Pomembni znanstveniki rojeni v 17 stoletju
Navedimo nekaj pomembnih znanstvenikov predvsem matematikov fizi-
kov in astronomov ki so se rodili v 17 stoletju Razvrščeni so po letnicah
74
rojstva Veliko podatkov dobimo v [1 5] in na svetovnem spletu
Gilles Personne de Roberval (1602ndash1675)
Pierre de Fermat (1607ndash1665)
Giovanni Alfonso Borelli (1608ndash1679)
Evangelista Torricelli (1608ndash1647)
John Pell (1610ndash1685)
Johann Hevel (1611ndash1687)
Frans van Schooten (1615ndash1660)
Carlo Renaldini (1615ndash1698)
John Wallis (1616ndash1703)
Henry Oldenburg (1618ndash1677)
Michelangelo Ricci (1619ndash1682)
William Brouncker (1620ndash1684)
Edmeacute Mariotte (1620ndash1684)
Jean Picard (1620ndash1682)
Vincenzo Viviani (1622ndash1703)
Reneacute-Franccedilois de Sluse (1622-1685)
Blaise Pascal (1623ndash1662)
Giovanni Domenico Cassini (1625ndash1712)
Robert Boyle (1627ndash1691)
Christiaan Huygens (1629ndash1695)
Isaac Barrow (1630ndash1677)
Ehrenfried Walther von Tschirnhaus (1631ndash1708)
Christopher Wren (1632ndash1723)
Johann Hudde (1633ndash1704)
Robert Hooke (1635ndash1703)
75
William Neile (1637ndash1670)
James Gregory (1638ndash1675)
Philippe de la Hire (1640ndash1719)
Isaac Newton (1643ndash1727)
Olaus Roslashmer (1644ndash1710)
Gottfried Wilhelm Leibniz (1646ndash1716)
Denis Papin (1647ndash1712)
Michel Rolle (1652ndash1719)
Pierre Varignon (1654ndash1722)
Jacob Bernoulli (1655ndash1705)
Edmund Halley (1656ndash1742)
Guillaume Franccedilois Antoine LrsquoHocircpital (1661ndash1704)
David Gregory (1661ndash1708)
Abraham de Moivre (1667ndash1754)
Johann Bernoulli (1667ndash1748)
Jacopo Francesco Riccati (1676ndash1754)
Giulio Carlo Fagnano (1682ndash1766)
Roger Cotes (1682ndash1716)
Reneacute Antoine Reacuteaumur (1683ndash1757)
Greacutegoire de Saint-Vincent (1584ndash1667)
Brook Taylor (1685ndash1731)
Gabriel Daniel Fahrenheit (1686ndash1736)
Colin Maclaurin (1698ndash1746)
Pierre Louis Moreau de Mapertuis (1698ndash1759)
76
Viri
[1] I Asimov Biografska enciklopedija znanosti in tehnike Tehniška za-
ložba Slovenije Ljubljana 1978
[2] J Bair V Henry Sluse ses perles et son algorithme Losanges 14
(2011) str 14ndash18 httphdlhandlenet2268100155 (videno 10
7 2021)
[3] G Kocijančič (urednik) Fragmenti predsokratikov Študentska za-
ložba Ljubljana 2012
[4] G Loria Spezielle algebraische und transscendente ebene Kurven
Teubner Leipzig 1902
[5] U C Merzbach C B Boyer A History of Mathematics John Wiley amp
Sons Hoboken New Jersey 2011
[6] J J OrsquoConnor E F Robertson Reneacute Franccedilois Walter de Sluze MacTu-
tor
httpsmathshistoryst-andrewsacukBiographiesSluze
(videno 10 7 2021)
[7] B von Pape Von Eudoxus zu Uhlhorn Books on Demand Norderstedt
2019
[8] M Razpet Pomnožitev hiperkocke Obzornik mat fiz 68 (2021) št 1
str 1-9
[9] M Razpet in N Razpet Prepogibanje papirja podvojitev kocke in
Slusova konhoida Obzornik mat fiz 67 (2020) št 2 str 41-51
77
[10] Y Renotte Reneacute de Sluze dialogues avec Christiaan Huygens
Bulletin de lrsquouniversiteacute du 3e acircge - Liegravege 23 (2021) 4 strani
httphdlhandlenet22682596400 (videno 10 7 2021)
[11] R F Slusius Mesolabum seu duaelig mediaelig proportionales inter ex-
tremas datas per circulum et ellipsim vel hyperbolam infinitis modis
exhibitaelig Leodii Eburonum Liegravege 1659
[12] R F Slusius Mesolabum seu duaelig mediaelig proportionales inter ex-
tremas datas per circulum et per infinitas hyperbolas vel ellipses et
per quamlibet exhibitaelig ac problematum omnium solidorum effectio
per easdem curvas Leodii Eburonum Liegravege 1668
[13] D Uhlhorn Entdeckungen in der houmlhern Geometrie theoretisch und
practisch abgehandelt Schulzersquosche Buchhandlung Oldenburg 1809
[14] I Vidav Algebra Mladinska knjiga Ljubljana 1972
Avtor se zahvaljuje prof dr Milanu Hladniku za strokovni pregled
copy(2021) Marko Razpet
78
Vsebina
Seznam slik 3
Predgovor 5
Kdo je bil Reneacute-Franccedilois de Sluse 5
Eratostenov mesolabum 12
Drugo de Slusovo delo 19
De Slusove perle 22
Poseben primer de Slusove perle 24
Geometrijska konstrukcija in analitična obravnava 25
Spremljajoča parabola 29
Ogrinjače 30
Nožiščne krivulje 32
Ekstremne točke nožiščne krivulje 35
Cisoida 36
Neilova parabola 38
Ploščine in prostornine 42
Tangenta 43
Inverzija krivulje K na krožnici 45
Inverzija krivulje Kprime na krožnici 48
Pritisnjeni krožnici na K 49
Toksoida 50
De Slusove pomnoževalke hiperkock 57
Evdoksova kampila 67
Pomembni znanstveniki rojeni v 17 stoletju 74
Viri 77
Seznam slik
1 Reneacute-Franccedilois Walter de Sluse 6
2 Viseacute na zemljevidu iz sredine 19 stoletja 7
3 Mesolabum druga izdaja 1668 10
4 Osnovni elementi Eratostenovega mesolabuma 14
5 Premik pravokotnikov Eratostenovega mesolabuma 15
6 Končna lega pravokotnikov Eratostenovega mesolabuma 16
7 Do srednjih geometrijskih sorazmernic s parabolama 17
8 Do srednjih geometrijskih sorazmernic s parabolo in krožnico 18
9 Slusova konhoida 19
10 Primeri de Slusovih perl 23
11 Zasuk de Slusove perle za m = 2n = 3p = 1k = 001 okoli osi x 24
12 Konstrukcija točke T de Slusove perle K 25
13 De Slusova perla K 26
14 Lokalna ekstrema na de Slusovi perli K 28
15 De Slusova perla K in spremljajoča parabola 29
16 De Slusova perla K in ogrinjače Ks Kq Kr 30
17 Nožiščna krivulja Kprime krivulje K glede na koordinatno izhodišče 34
18 Krivulja C je cisoida krivulj K1 in K2 glede na točko O 37
19 De Slusova perla K kot cisoidna krivulja 38
20 Neilova ali polkubična parabola 39
21 Leibnizeva izohrona 40
22 Ploščini likov omejenih z zankama krivulj K in Kprime 44
23 Dotikalni elementi krivulje 44
24 Tangenta in normala na krivuljo K 46
25 Inverzna slika Klowast krivulje K 47
26 Krivulja Klowast in približka v okolici točk O in D 48
27 Inverzna slika Kprimelowast krivulje Kprime 49
3
28 Pritisnjeni krožnici na krivuljo K v točki O 50
29 Toksoida 51
30 Konstrukcija točk toksoide 52
31 Konstrukcija srednjih geometrijskih sorazmernic s toksoido 53
32 Prevoja toksoide T in pritisnjena krožnica v točki D 54
33 Inverzna slika T lowast toksoide T 55
34 Nekaj krivulj Hm 58
35 Krivulja H4 in pomnožitev roba trirazsežne kocke 59
36 Nekaj krivulj Cm 60
37 Krivulja C4 in pomnožitev roba 5-razsežne hiperkocke 61
38 Telo nastalo z zasukom lika med krivuljo C2 in njeno asimptoto
okoli te asimptote 63
39 Telo nastalo z zasukom lika med krivuljo C2 in njeno asimptoto
okoli osi y 65
40 Telo nastalo z zasukom lika ki ga omejuje H4 okoli osi y 66
41 Konstrukcija točk Evdoksove kampile 68
42 Podvojitev kocke z Evdoksovo kampilo 69
43 Desna veja Evdoksove kampile prevoja in pritisnjena krožnica 71
44 Približna podvojitev kocke 72
45 Zrcaljenje Evdoksove kampile na krožnici 73
4
Predgovor
V prispevku bomo spoznali življenje in delo valonskega matematika in
kanonika de Slusa ki je po svoje zaznamoval buren razvoj matematike 17
stoletja V njegovem času je velik napredek doživel infinitezimalni račun
in uvedli so ustrezne matematične oznake ki jih uporabljamo še danes
Družbeni in ekonomski razvoj uveljavljanje heliocentričnega svetovne-
ga sistema geografska odkritja in z njimi povezana orientacija na morju
potrebe po točnem merjenju časa velika uporaba orodij in strojev razvoj
gradbeništva in geodezije in drugo so terjali čedalje bolj natančno in hitro
računanje Naraščalo je zanimanje za geometrijo astronomijo reševanje
enačb reševanje fizikalnih problemov in uporabo logaritmov Nastajala
so nova matematična področja na primer teorija verjetnosti infinitezi-
malni račun in variacijski račun Znanstveniki so si med seboj dopisovali
se obiskovali in tako širili nove ideje in teorije Nastajale so znanstvene
akademije kot protiutež univerzam kjer je še vedno prevladovala sholasti-
čna misel Ustanavljale so se znanstvene revije ki so zagotavljale večji
pregled nad avtorstvom novih odkritij in zamisli
Kdo je bil Reneacute-Franccedilois de Sluse
Čeprav je o de Slusu napisanega precej pa ni toliko znan znanstvenik kot
bi moral biti Veliko izvemo o njem na primer v [2 5 6 10] od kjer so
vzeti podatki ki sledijo v nadaljevanju
Reneacute-Franccedilois Walter de Sluse (včasih tudi Reneacute de Sluze latinsko Re-
natus Franciscus Slusius ali preprosteje kar Reneacute Sluse izgovarjamo pa
njegov priimek kot rdquosluumlzrdquo) se je rodil 2 julija 1622 v Viseacuteju ob reki Meuse
5
sedaj v valonskem delu Belgije v provinci Liegravege blizu meje med Belgijo
in Nizozemsko v bogati in omikani družini Njegova domovina je takrat
spadala pod Špansko Nizozemsko V tistih krajih so zemljepisna imena
v tamkajšnjih jezikih različna na primer de Slusov rojstno mesto ki je v
francoščini Viseacute je v nizozemščini Wezet v nemščini Wezen in v latinščini
Villa Viesato Prav tako glavno mesto province Liegravege oziroma do 1949
Lieacutege v francoščini Luik v nizozemščini Luumlttich v nemščini in Leodium
v latinščini Prav tako reka ob kateri ležita ti dve mesti Meuse v fran-
coščini Maas v nizozemščini in nemščini ter Mosa v latinščini
Slika 1 Reneacute-Franccedilois Walter de Sluse
Po študiju prava na Katoliški univerzi v Leuvenu med letoma 1638
in 1642 (francosko Louvain nemško Loumlwen) je odšel v Rim kjer je ostal
nekaj let in si že leta 1643 prislužil naziv doktorja prava na rimski univerzi
6
La Sapienza nato pa je imel priložnost študirati v Italiji teologijo filo-
zofijo zgodovino matematiko fiziko astronomijo in jezike (baje je znal
tudi grško hebrejsko arabsko in sirsko)
Slika 2 Viseacute na zemljevidu iz sredine 19 stoletja
Katoliška univerza v Leuvenu je najstarejša univerza na ozemlju današ-
njega Beneluksa ustanovljena leta 1425 Univerza La Sapienza (rdquosapienzardquo
pomeni v italijanščini znanje) je bila ustanovljena kot papeška univerza
leta 1303 v zadnjem letu vladanja papeža Bonifacija VIII Ime je dobila
po stavbi v katero se je naselila Po doktoratu je de Sluse nekaj časa služil
papežema Inocencu X in Aleksandru VII kot tajnik Zadolžen je bil za to
da je papeške uradne dokumente na primer papeške bule obrazložil lju-
dem na razumljiv način Papežu Inocencu X je z znanjem jezikov pogosto
prevajal pisma ki so bila namenjena škofom na Grškem in v Armeniji
V Rimu se je de Sluse srečal s priznanimi takratnimi znanstveniki med
katerimi sta bila tudi B Cavalieri ki je s svojim delom nekako napovedal
integralski račun in E Torricelli
Leta 1650 je bil imenovan za kanonika kolegijske cerkve v Viseacuteju čeprav
je bilo to imenovanje le nominalno da bi mu zagotovilo dohodke Ni se
mu bilo treba takoj vrniti v Viseacute ampak je ostal še malo v Rimu ki ga je
7
zapustil naslednje leto ko ga je papež Inocenc X imenoval za kanonika v
katedrali sv Lamberta v Liegravegeu Zaradi svojega znanja prava je v Cerkvi
hitro napredoval in kmalu se je povzpel na vplivne položaje Leta 1659
je postal član zasebnega sveta katedrale v Liegravegeu leta 1666 pa kot cis-
tercijanski duhovnik opat opatije La Paix Dieu v Amayu (valonsko Ama)
jugozahodno od Liegravegea Bil je tudi zasebni svetovalec koumllnskega nadškofa
in volilnega kneza Svetega rimskega cesarstva tudi škofa v Liegravegeu Mak-
similijana Henrika Bavarskega (1621ndash1688) Umrl je 19 marca 1685 v
Liegravegeu
Reneacutejev brat Johannes Walter (1628ndash1687) se je v cerkveni hierarhiji
leta 1686 povzpel vse do kardinala Rojen je bil prav tako v Viseacuteju umrl pa
je v Rimu kjer je tudi pokopan in sicer v cerkvi Santa Maria dellrsquoAnima
Beseda rdquohierarhijardquo je grškega izvora Njen prvi del izhaja iz besede
ἱερός kar pomeni rdquosvet posvečen božjirdquo drugi del pa iz besede ἀρχός kar
pomeni rdquoprvak gospodar vladarrdquo
Omenjena kolegijska cerkev je naziv za tiste cerkve v katerih je Sveti
sedež ustanovil kapitelj ali kolegij klerikov (duhovnikov) imenovanih ka-
noniki Namen te ustanove je bil narediti bolj slovesno bogoslužje v cerk-
vah izbranega določenega pomena Ustanovitev posodobitev ali ukinitev
kolegijskih cerkva je bil v pristojnosti Svetega sedeža
Kanonik je v katoliški cerkvi dostojanstvenik član stolnega kapitlja
škofov svetovalec izvedenec za cerkveno pravo Sama beseda kanonik
izhaja iz grške κανών kar pomeni rdquovzorec predpis pravilo vodilordquo
Zaradi zahtevnih cerkvenih dolžnosti de Sluse ni imel več priložnosti
potovati toliko kot bi si želel Da bi zadovoljil svojo veliko intelektu-
alno radovednost si je stalno dopisoval z nekaterimi velikimi evropskimi
učenjaki B Pascalom C Huygensom P Fermatom R Boylom J Gre-
8
goryjem M Riccijem J Wallisom in H Oldenburgom Tako je lahko
izražal svoje ideje je pa zaradi drugega dela malo objavljal H Olden-
burg je bil tista leta tajnik Kraljevega društva v Londonu katerega član
je de Sluse postal leta 1674 Oldenburg je de Slusove zamisli posredoval
neposredno angleškim učenjakom in drugim članom kot je bilo takrat v
navadi Do njih je prišlo skoraj 80 pisem izmenjanih med letoma 1667
in 1676 De Slusovo korespondenco je leta 1884 objavil matematik C Le
Paige iz Liegravegea S tem je de Slusovo znanstveno delo postalo širše znano
De Sluse je umrl 19 marca 1685 v Liegravegu ravno tistega leta ko se je začel
spor med Newtonom in Leibnizem glede tega kdo je avtor infinitezimal-
nega računa Pokopali so ga v kolegijski cerkvi v Viseacuteju v bližini njegovih
staršev Družinski mavzolej je obstajal do 14 avgusta 1914 ko je nemška
vojska požgala kolegijsko cerkev sv Martina in sv Hadelina V kolegijski
cerkvi v Viseacuteju je ob levem stranskem oltarju spominska plošča ki govori
o slavnem prebivalcu Viseacuteja iz 17 stoletja kanoniku Reneacuteju-Franccediloisu
de Slusu Mesti Viseacute in Liegravege sta mu posvetili ulici Rue de Sluse mesto
Bassenge zahodno od Viseacuteja pa pot Chemin de Sluse
Matematične teme ki jih je obravnaval de Sluse so bile povezane z
znanstvenimi interesi tistega časa Po eni strani so bili geometrijski prob-
lemi ki segajo v čas Evklida in Arhimeda oživljeni v drugi polovici 16
in prvi polovici 17 stoletja Zlasti Cavalieri je razvil teorijo nedeljivih
količin ki je imela določen vpliv na razvoj matematične analize Po drugi
strani pa se je približno v istem času ko se je začela razvijati algebra po
zaslugi F Viegraveta ki je uvedel algebrski jezik in predvsem R Descartesa
in njegovega dela rdquoLa Geacuteomeacutetrierdquo zelo povečalo zanimanje za geometrijo
Združitev teh dveh tokov je de Slusa in številne druge matematike njego-
vega časa pripeljal do tega da so se začeli zanimati za geometrijske last-
9
Slika 3 Mesolabum druga izdaja 1668
nosti analitično definiranih krivulj predvsem algebrskih pa tudi spiral in
cikloid ki so bile takrat modne teme Pomembni problemi v tistih časih so
bili kako definirati in konstruirati tangento na krivuljo kako izračunati
ploščino lika ki ga ograjuje taka krivulja kako izračunati njeno dolžino
in kako izračunati prostornino in površino teles ki niso omejena samo z
ravninskimi ali sferičnimi liki G W Leibniz je pri de Slusu in Descartesu
našel marsikatero idejo pri razvoju infinitezimalnega računa in analitične
geometrije Ni čudno da je Huygens v nekem v pismu H Oldenburgu
dal o de Slusu naslednje mnenje rdquoSlusius eotilde geometrarum quos novi
omnium doctissimus candidissimusquerdquo rdquoSluse je od geometrov kar jih
poznam najbolj učen in jasenrdquo
10
Prav tako so bili v de Slusovem času še vedno aktualni problemi reše-
vanja algebrskih enačb tretje in četrte stopnje čeprav so to znali že itali-
janski matematiki S del Ferro N Tartaglia G Cardano in L Ferrari Še
vedno pa so bili živi antični problemi kvadrature kroga trisekcije kota in
podvojitve kocke s katerimi so se ubadali grški geometri Kot je znano gre
pri problemu podvojitve kocke za konstrukcijo kocke s prostornino ki je
dvakrat večja od prostornine dane kocke Problema se ne da rešiti z neoz-
načenim ravnilom in šestilom kot si je zamislil Platon pač pa s pomočjo
nekaterih algebrskih krivulj ali pa s posebnimi mehanskimi napravami
De Sluse je obravnaval geometrijsko reševanje algebrskih enačb tretje in
četrte stopnje z uporabo presečišč stožnic Descartes je pokazal da se
problem lahko rešuje z iskanjem presečišč parabole in krožnice de Sluse
pa je pokazal da lahko parabolo nadomestimo s katerokoli stožnico kar
se je izkazalo za veliko bolj prilagodljivo in elegantno kot Descartesova
metoda Svojo metodo je pod velikim vplivom Viegravetovih in drugih del
razvil v delu rdquoMesolabumrdquo (1659) še posebej v njegovi drugi izdaji (1668)
Celotna naslova izdaj nista popolnoma identična (glej [11 12]) Razvil je
tudi postopek za iskanje subtangente in s tem tangente katerekoli alge-
brske krivulje in to brez uporabe odvoda funkcije kakršnega poznamo
dandanes
Na sliki 3 opazimo v letnici izdaje de Slusovega Mesolabuma tudi malo
drugačen zapis rimskih številk za 500 in 1000 Navajeni smo ju pisati v
obliki D in M Namesto D so svoj čas pisali I in narobe obrnjen C torej
I C kar je skoraj D Za M pa CI C Število I Cje druga polovica od CI C
kar je v soglasju z dejstvom da je 500 polovica od 1000 Razlog za tako
pisavo sega v čas starih Grkov Etruščanov in Rimljanov Baje so nekoč
uporabljali za 1000 črko Φ iz katere se je razvila oznaka CI C iz te pa M
11
Eratostenov mesolabum
Beseda rdquomesolabumrdquo je zelo stara Izvira iz grške besede μεσολάβος (morda
tudi iz μεσολάβον) ki je v antiki pomenila posebno geometrijsko orodje
za določevanje prve in druge srednje geometrijske sorazmernice Beseda
izvira iz grške μέσος kar pomeni rdquosrednjirdquo in λαμβάνω kar pomeni rdquovza-
mem primem zgrabim pograbim popadem ulovimrdquo Glagolska os-
nova je λαβ- je tista iz katere izhajata nedoločnik λαβεῖν in aorist λάβον
Mesolabum je potemtakem tisto s čimer lovimo sredino lovilec sredin
Podobna beseda je rdquoastrolabrdquo starodavna astronomska naprava za določe-
vanje položaja zvezd v grščini ἀστρολάβον ὄργανον
V grških besedilih je glagol λαμβάνω eden od osnovnih in kot tak zelo
pomemben V taki ali drugačni obliki je zato zelo pogost Za primer
navedimo iz Odiseje (XXIV 397ndash399 prevod A Sovregrave )
ὣς ἄρ ἔφη Δολίος δv ἰθὺς κίε χεῖρε πετάσσας
ἀμφοτέρας ᾿Οδυσεῦς δὲ λαβὼν κύσε χεῖρv ἐπὶ καρπῷ
καί μιν φωνήσας ἔπεα πτερόεντα προσηύδα
To je dejal Približa se Dolios rok mu razpetih
prime gospoda v zapestju roko mu ginjen poljubi
z glasom obrne se k njemu pa reče krilate besede
V latinščini imenujejo mesolabum tudi rdquomesolabiumrdquo kar se čudno
sliši ker beseda rdquolabiumrdquo pomeni ustnica Iz besede rdquolabiumrdquo so izvedene
še druge V fonetiki imamo glasove ki jih sooblikujemo z ustnicami in se
zato imenujejo rdquolabialirdquo na primer rdquoprdquo in rdquobrdquo
12
Mesolabum je iznašel Eratosten iz Kirene (276ndash195 pnš) grško ᾿Ερα-
τοσθένης ὁ Κυρηναῖος ki je deloval v Aleksandriji kot vodja tamkajšnje
slavne knjižnice ki je bila del Muzejona hiše učenosti in umetnosti grško
Μουσεῖον τῆς Αλεξανδρείας in je najbolj znan po svojem situ za iskanje
praštevil in po izračunu velikosti Zemlje Pri mesolabumu gre za to kako
mehansko določiti prvo in drugo srednjo geometrijsko sorazmernico x in
y daljic a in b kjer je 0 lt a lt b Srednji geometrijski sorazmernici x in y
morata zadoščati relacijiax=xy=y
b (1)
Če označimo te tri kvociente z λ in jih med seboj zmnožimo dobimo
axsdotxysdoty
b=ab= λ3
To pomeni da je
λ = 3
radicab x =
3radica2b y =
3radicab2
Pri tem velja relacija a lt x lt y lt b ki je posledica relacije
a3 = a2a lt a2b = aab lt abb = ab2 lt bb2 = b3
iz katere sledi po kubičnem korenjenju a lt3radica2b lt
3radicab2 lt b Zato lahko
rečemo da sta x in y sredini daljic a in b saj sta med a in b
Za b = 2a je x = a 3radic
2 in y = a 3radic
4 To pomeni da se s tem posreči pod-
vojiti in početveriti kocko Kocka z robom x ima namreč dvakrat kocka z
robom y štirikrat večjo prostornino kot kocka z robom a in dvakrat večjo
kot kocka z robom x ker je x3 = 2a3 in y3 = 4a3 = 2x3 Prvi ki je prišel na
idejo poiskati srednji geometrijski sorazmernici x in y za a in b = 2a je bil
v 5 stoletju pnš živeči Hipokrat z otoka Hios v grščini ῾Ιπποκράτης ὁ
Χῖος Skušal je rešiti problema podvojitve kocke in kvadrature kroga
13
Eratosten je bil nad svojim izumom mesolabuma tako navdušen da je
en primerek baje daroval v nekemu templju sicer pa ga je posvetil kralju
Ptolemaju III (284ndash222 pnš) imenovanemu tudi Ptolemaj Dobrotnik
grško Πτολεμαῖος Εὐεργρέτης
Slika 4 Osnovni elementi Eratostenovega mesolabuma
Sedaj je čas da opišemo Eratostenov mesolabum Njegov je bil sicer
izdelan iz lesa slonove kosti in kovin mi pa si ga bomo ogledali she-
matično geometrijsko uporabljajoč pravokotnike trikotnike daljice pre-
mice točke razmerja in sorazmerja
V ravnini so postavljeni skladni pravokotniki A1B1C1D1 A2B2C2D2 in
A3B3C3D4 s stranicami A1B1 A2B2 in A3B3 na skupni premici na kateri
ostanejo ves čas v nadaljevanju opisanega postopka Vse stranice pra-
vokotnikov pravokotne na to premico imajo dolžino b Dolžina pre-
ostalih stranic ni pomembna Na stranici B3C3 izberemo točko T tako
da je ∣B3T ∣ = a Prvi pravokotnik je negiben preostala dva pa lahko dr-
sita po premici tako da se tretji lahko skrije pod drugega drugi pa pod
prvega S tem lahko gibljiva dva postavimo tako da dobimo daljice dolžin
14
x in y ki skupaj z a in b zadoščajo relaciji (1) Pravokotniki so razdeljeni z
med seboj vzporednimi diagonalami na pravokotne trikotnike (slika 4)
Slika 5 Premik pravokotnikov Eratostenovega mesolabuma
Ko premikamo drugi pravokotnik pod prvega njegova diagonala B2D2
prej ali slej seka stranico B1C1 negibnega pravokotnika denimo v točki
E Ko pa premikamo tretji pravokotnik pod drugega njegova diagonala
B3D3 prej ali slej seka stranico B2C2 drugega pravokotnika denimo v točki
F Cilj premikanja pravokotnikov sem in tja je doseči kolinearnost točk
D1EF in T Kot bomo kmalu videli takrat x = ∣B2F∣ in y = ∣B1E∣ ustrezata
relaciji (1)
Kolinearnost točk D1EF in T dosežemo s postopkom ki mu učeno
rečemo rdquoiteracijardquo Malo premaknemo drugi pravokotnik nato malo tret-
jega pa zopet drugega itd dokler s svojo spretnostjo ne dosežemo zado-
voljive natančnosti V natančni legi označimo u = ∣B1D1∣ v = ∣B2E∣ in
w = ∣B3F∣ Te daljice so med seboj vzporedne (slika 6) in zaradi podob-
nosti trikotnikov A1B1D1 B1B2E in B2B3F ter trikotnikov B1ED1 B2FE in
15
Slika 6 Končna lega pravokotnikov Eratostenovega mesolabuma
B3T F dobimo sorazmerja
bu=y
v=xwy
u=xv=aw
iz katerih sledijo relacije
xw = av xv = yw yv = ux bv = uy
Iz prve druge tretje in četrte dobimo po vrsti
ax=wvwv=xyxy=vuvu=y
b
Sedaj je nedvomno razvidno da je res
ax=xy=y
b
Tako lahko z Eratostenovo napravo najdemo prvo in drugo srednjo ge-
ometrijsko sorazmernico daljic a in b Podobno bi lahko našli tudi več
srednjih geometrijskih sorazmernic daljic a in b
16
So pa matematiki že davno odkrili da se da srednji geometrijski so-
razmernici najti tudi s parabolama Iz relacije (1) namreč sledita preprosti
zvezi
x2 = ay y2 = bx
V prvi spoznamo enačbo parabole ki ima za simetralo ordinatno os gorišče
v točki F(0a4) in vodnico y = minusa4 v drugi pa enačbo parabole ki ima za
simetralo absciso os gorišče v točki G(b40) in vodnico x = minusb4 (slika 7)
Slika 7 Do srednjih geometrijskih sorazmernic s parabolama
Paraboli se sekata v točkah O(00) in A(3radica2b
3radicab2) Konstrukcijo je
odkril Menajhmos grško Μέναιχμος ki je živel v 4 stoletju pnš Prvi je
vpeljal stožnice kot preseke stožca z ravnino Teorijo stožnic je temeljito
obdelal Apolonij iz Perge (265ndash170 pnš) grško Απολλώνιος ὁ Περγαῖος
Njegove knjige so matematiki uporabljali še vse do Newtonovih časov
Prav tako pridemo do srednjih geometrijskih sorazmernic če poiščemo
presečišči parabole x2 = ay z goriščem F(0a4) in vodnico y = minusa4 ter
krožnice x2 + y2 = bx + ay ki ima središče v točki S(b2a2) in premer
17
Slika 8 Do srednjih geometrijskih sorazmernic s parabolo in krožnico
d =radica2 +b2 Parabola in krožnica se sekata v točkah O in A(
3radica2b
3radicab2)
(slika 8) kar potrdi preprost račun Opisano konstrukcijo je obvladal Reneacute
Descartes Menajhmos in Descartes sta pokazala da se z njunima kon-
strukcijama da rešiti problem podvojitve kocke Za b je treba v opisanih
postopkih vzeti 2a Pripomnimo še da je bila starogrška matematika
pretežno matematika razmerij in sorazmerij in tako je bilo še celo vrsto
stoletij Srednjo geometrijsko sorazmernico x daljic dolžin a in b tako
da velja a ∶ x = x ∶ b iz česar sledi x =radicab se da konstruirati z neoz-
načenim ravnilom in šestilom Spomnimo se na višinski izrek v pravokot-
nem trikotniku ki je pravzaprav posledica podobnosti dveh trikotnikov
na katera višina na hipotenuzo razdeli pravokotni trikotnik
Pri dveh srednjih geometrijskih sorazmernicah x in y pa se kot smo
videli pojavi kubični koren ki pa z omenjenima geometrijskima orodjema
ni konstruktibilen To so matematiki dokazali šele v 19 stoletju Do takrat
so problem skušali rešiti na druge načine in pri tem odkrili nove krivulje
tako da njihov trud le ni bil popolnoma zaman Geometrijski objekt bo za
18
nas rdquokonstruktibilenrdquo če se ga da konstruirati z neoznačenim ravnilom in
šestilom
Drugo de Slusovo delo
De Sluse še vedno velja za izjemno učenega človeka nadarjenega za mate-
matiko izumiteljstvo in posploševanje Njegovo ime je še danes povezano
z njegovimi konhoidami in perlami De Slusova konhoida (slika 9) ki ima
implicitno obliko
(xminus c)(x2 +y2)minus2cx2 = 0
je precej natančno obravnavana v članku [9]
Slika 9 Slusova konhoida
Reneacute de Sluse se ni ukvarjal le z matematiko ampak tudi z astronomijo
fiziko naravoslovjem in seveda teologijo Pogosto se je pritoževal nad
omejitvami ki so mu jih nalagale njegove verske in upravne funkcije
Ni veliko eksperimentiral ker za to ni imel posebnega veselja pa tudi
ne tehničnih možnosti Je pa predlagal drugim zlasti Huygensu da naj
naredijo tak ali drugačen eksperiment Z zanimanjem je bral prepovedane
19
knjige N Kopernika G Galileja in J Keplerja ter kritiziral prizadevanja za
obnovitev starih konceptov Pisal je že o ekscentričnosti v zvezi s Soncem
Zdi se da je za svoje izračune uporabljal oba sistema heliocentričnega
in geocentričnega Rad je opazoval zvezdnato nebo Tako v kemiji kot
drugje se je znašel na razpotju Prebral je modne knjige o alkimiji in
celo ponovil poskus sublimacije antimona v belo barvo vendar je bila nje-
gova razlaga odločno korpuskularna saj je uporabljal Boylove zamisli o
strukturi tekočega in trdnega stanja V podporo temu je izvajal poskuse
zamrzovanja različnih raztopin in študiral sestavo lojevca V medicinski
kemiji se je zanimal za zdravilne vode in jih tudi analiziral
V fiziki sta ga je posebej zanimala merjenje temperature in praktična
termometrija Če ne upoštevamo odkritij E Torricellija in B Pascala o
vplivu atmosferskega tlaka na zračni termometer je de Sluse leta 1664
izumil svoj termometer z voščeno kroglico pomešano s peskom ki se je
gibala v stekleni cevi zaprti na dnu napolnjeni s slano vodo tako da je
bila kroglica bolj ali manj potopljena v sredini cevi kar je opisal v pismih
Huygensu Kroglica je označevala vsako spremembo v zraku iz toplejšega
na hladnejše ko se je spuščala ali dvigala Huygens je odgovoril da je
njegov termometer prepočasen vendar je zanesljivejši od drugih istovrst-
nih termometrov ker je manj podvržen vplivu atmosferskega tlaka Žal
ni poznal florentinskega termometra ko je svojim dopisnikom vključno s
Huygensom in Oldenburgom povedal o svojem izumu Florentinski ter-
mometri so pomenili odločilen korak naprej pri merjenju temperature
Bili so prvi ki so omogočali natančne meritve Pred iznajdbo v Firencah
okoli leta 1650 so bili stari modeli zelo približni določali so ali je pred
nami nekaj hladnega ali vročega ne da bi lahko odčitali ali ocenili tem-
peraturo Razlika je v tem da je steklena cev zaprta tako da je vpliv tlaka
20
odpravljen Uporabljali so se predvsem petdesetstopinjski termometri
Taki termometri so večinoma služili za določanje nihanja temperature zra-
ka v zaprtih prostorih in na prostem Oblikovanje termometra je takrat
pomenilo tudi določitev njegove merilne lestvice vendar še brez Celzijevih
ali Fahrenheitovih stopinj Pri tem so bile stopinje enakomerno razpore-
jene med dvema skrajnostma in sicer med nivojem najhladnejše tekočine
pozimi (nizka točka) in nivojem najbolj vroče tekočine poleti (visoka točka)
Zaradi teh zelo relativnih vrednosti je primerjava meritev med dvema ter-
mometroma nezanesljiva Ob upoštevanju pripomb jo je večkrat spreme-
nil in jo ponovno predložil Oldenburgu do leta 1669 ko je R Boyle izrazil
negativno mnenje glede topnosti voska kroglic v slani tekočini Po tem da-
tumu termometer ni bil nikoli več omenjen De Sluse je zboljšal različne
instrumente ure številčnice barometre Ker ga je motilo prerekanje med
raziskovalci glede avtorstva odkritij je po Oldenburgovi smrti leta 1677
končal svojo znanstveno dejavnost
Šele v 18 stoletju so razvijali temperaturne merilne lestvice C Re-
naldini (1694) O C Roslashmer (1702) G Fahrenheit (1717) Reneacute-Antoine
F de Reacuteaumur (1730) in A Celsius (1741) Enota kelvin (K ndash v čast lordu
Kelvinu 1824-1907) osnovna enota mednarodnega sistema enot za tem-
peraturo je bila uvedena šele leta 1954
De Sluse je bil tudi zgodovinar Napisal je knjigo o smrti sv Lam-
berta škofa v Tongresu ki je bil ubit na kraju kamor je sv Hubert njegov
naslednik prenesel sedež svoje škofije Kraj se je kasneje razvil v Liegravege
Druga zgodovinska študija se nanaša na slavnega maastrichtskega škofa
sv Servacija Med de Slusovimi neobjavljenimi rokopisi je tudi zgodovina
Koumllna Pripomnimo še da je sv Hubert zavetnik lovcev matematikov
optikov in kovinarjev
21
O širini de Sluzovih interesov priča raznolikost tem ki so zajete na
več sto straneh njegovega dela neobjavljenih rokopisov ki jih zdaj hrani
Narodna knjižnica Bibliotheque Nationale v Parizu Čeprav se je ukvarjal
predvsem z matematiko njegovi rokopisi obravnavajo tudi astronomijo
fiziko in naravoslovje
De Slusove perle
Po de Slusu so po zaslugi B Pascala (več o tem v [4]) imenovane tudi
krivulje rdquode Slusove perlerdquo to so krivulje ki se v pravokotnem kartezi-
čnem koordinatnem sistemu Oxy izražajo z enačbo
ym = kxn(aminusx)p (2)
Pri tem so eksponenti mn in p naravna števila a in k pa pozitivni kon-
stanti Glede na parnost eksponentovmn in p formalno razlikujemo osem
možnosti od katerih imamo opravka s perlami le v primeru ko je m sodo
število s pravimi perlami pa v primeru ko je m sodo število n in p pa lihi
števili (slika 10) Skupno tem krivuljam so simetričnost glede na os x in
presečišča s to osjo pri x = 0 in x = a De Sluse je po svoje brez uporabe
odvoda izračunal da njegove perle dosegajo lokalne ekstreme največji
odstop od osi x med 0 in a za x = na(n+p)
V teh primerih je ploščina S lika ki ga ograjuje zanka perle enaka
S = 2k1mint
a
0xnm(aminusx)pmdx = 2k1ma(m+n+p)mint
1
0tnm(1minus t)pmdt
Integracijsko spremenljivko x smo zamenjali z novo spremenljivko t prek
relacije x = at da smo dobili obliko ki jo lahko izrazimo z Eulerjevima
22
Slika 10 Primeri de Slusovih perl
funkcijama B in Γ
S = 2k1ma(m+n+p)mB(nm+1pm+1) =
= 2k1ma(m+n+p)mΓ(nm+1)Γ(pm+1)
Γ((n+p)m+2)=
= 2k1ma(m+n+p)mnp
(m+n+p)(n+p)
Γ(nm)Γ(pm)
Γ((n+p)m)
Pri rotaciji okoli osi x ta lik v prostoru opiše telo s prostornino
V =πk2mint
a
0x2nm(aminusx)2pmdx =πk2ma(m+2n+2p)m
int
1
0t2nm(1minust)2pmdt
23
Slika 11 Zasuk de Slusove perle za m = 2n = 3p = 1k = 001 okoli osi x
Integracijsko spremenljivko x smo tudi to pot zamenjali z novo spremenljivko
t prek relacije x = at da smo dobili obliko ki jo lahko izrazimo z Eulerje-
vima funkcijama B in Γ
V =πk2ma(m+2n+2p)mB(2nm+12pm+1) =
=πk2ma(m+2n+2p)mΓ(2nm+1)Γ(2pm+1)Γ((2n+2p)m+2)
=
= 2πk2ma(m+2n+2p)m np
(m+2n+2p)(n+p)Γ(2nm)Γ(2pm)
Γ((2n+2p)m)
Poseben primer de Slusove perle
Natančneje bomo obravnavali de Slusovo perlo samo primer za m = n = 2
p = 1 in k = 1a to se pravi krivuljo K ki ima implicitno enačbo ay2 =
x2(a minus x) To pa zato ker se posamezne točke te krivulje da preprosto
konstruirati z osnovnim geometrijskim orodjem
24
Geometrijska konstrukcija in analitična obravnava
Do posameznih točk T krivulje K pridemo s preprosto geometrijsko kon-
strukcijo (slika 12) V pravokotnem kartezičnem koordinatnem sistemu
Oxy načrtamo premico x = a kjer je a pozitivna konstanta Skozi koordi-
natno izhodišče O potegnemo premico p ki ima enačbo y = tx in preseka
premico x = a v točki A(ata) Parameter t smerni koeficient premice p s
katerim je sorazmerna ordinata točkeA bomo kasneje spreminjali V točki
A na p postavimo pravokotnico q ki seka os x v točki B V B načrtamo na
q pravokotnico r ki seka premico x = a v točki C nazadnje pa skozi C še
pravokotnico s na r Presečišče premic p in s naj bo točka T (xy) Sedaj
bomo izrazili njeni koordinati x in y s parametrom t
Slika 12 Konstrukcija točke T de Slusove perle K
Premica q ima enačbo y = minus(x minus a)t + at in preseka os x v točki B(a +
at20) Premica r ima enačbo y = t(x minus aminus at2) in preseka premico x = a v
točki C(aminusat3) premica s pa enačbo y = minus(xminus a)t minus at3 Koordinati točke
T sta rešitvi sistema enačb
y = tx y = minusxminusat
minusat3
25
Po krajšem računu dobimo
x(t) = a(1minus t2) y(t) = at(1minus t2) (3)
To sta parametrični enačbi krivulje K Ko spreminjamo t po vseh realnih
vrednostih oziroma ko A drsi po premici x = a točka T (xy) opiše krivuljo
K (slika 13) z zanko ki spominja na perlo
Če si mislimo da je parameter t čas enačbi (3) predstavljata sestav-
ljeno gibanje točkaste mase v dveh med seboj pravokotnih smereh v koor-
dinatni ravnini v smeri osi x po pravilu prve enačbe v smeri osi y pa po
pravilu druge enačbe Tirnica takega gibanja je krivulja K Podoben le da
bolj preprost primer imamo tudi pri gibanju točkaste mase pri poševnem
metu
Slika 13 De Slusova perla K
Ko se t spreminja od zelo velikih negativnih vrednosti potuje T po
loku v drugem kvadrantu navzdol in doseže za t = minus1 prvič točko O Za
minus1 le t le 0 opiše lok v četrtem kvadrantu odO do temenaD(a0) za 0 le t le 1
opiše lok v prvem kvadrantu od D do točke O ki jo doseže drugič za t = 1
za t gt 1 pa se spusti po loku v tretjem kvadrantu navzdol
26
Če upoštevamo (3) dobimo
x2(t)(aminusx(t)) = a2(1minus t2)2 sdotat2 = a(at(1minus t2))2 = ay2(t)
To pomeni da je ay2 = x2(aminusx) implicitna enačba krivulje K in da je K al-
gebrska krivulja tretje stopnje Krivulja K je simetrična glede na os x Za
točke ki so zelo blizu koordinatnemu izhodiščuO je člen x3 zanemarljivo
majhen v primerjavi s kvadratnima členoma zato je tam enačba krivulje
K približno ay2 = ax2 oziroma (y minusx)(y +x) = 0 Ta enačba razpade na dve
y = x in y = minusx V točki O ima krivulja tangenti y = x in y = minusx ki se sekata
pravokotno V točki D je tangenta na krivuljo premica x = a Krivulja ima
na zanki dve glede na os x simetrično ležeči lokalno ekstremni točki v ka-
terih je tangenta vzporedna z osjo x To sta točki Mplusmn(2a3plusmn2aradic
39) De
Sluse jih je na svojevrsten način pravilno izračunal čeprav je bilo v nje-
govem času računanje z odvodi še v zametkih Da bi pravilnost ekstrem-
nih točk preverili brez odvoda uporabimo kvadrat ekstremne ordinate ki
je y2M = 4a227 in zapišimo izraz
ay2M minusx2(aminusx) = 4a327minusax2 +x3 = (xminus2a3)2(x+a3)
ki je za 0 lt x lt a nenegativen in enak 0 za x = 2a3 To pomeni da je
tedaj x2(a minus x) le 4a327 in največja ordinata na zanki krivulje je 2aradic
39
najmanjša pa minus2aradic
39 oboje pri x = 2a3 (slika 14)
Z uporabo odvoda gre vse veliko hitreje Ordinata y doseže ekstrem
takrat kot ay2 Zato je vseeno če poiščemo ekstrem enostavnejše funkcije
g(x) = x2(a minus x) = ax2 minus x3 Potreben pogoj za to je g prime(x) = 2ax minus 3x2 = 0
Dobimo stacionarni točki x1 = 0 in x2 = 2a3 Uporabimo še g primeprime(x) = 2aminus6x
Ker je g primeprime(x1) = 2a gt 0 in g primeprime(x2) = minus2a lt 0 ima funkcija g v točki x1 lokalni
minimum ki je enak 0 v točki x2 pa lokalni maksimum ki je enak 4a327
27
Slika 14 Lokalna ekstrema na de Slusovi perli K
Ekstremna točka na zanki kjer je tangenta vzporedna z osjo x je očitno
le v x2 kvadrat ekstremne ordinate je tedaj g(x2)a = 4a227 = 12a281
Ekstremni ordinati sta torej plusmn2aradic
39 pri abscisi 2a3
Abscise 2a3 ni težko geometrijsko konstruirati prav tako tudi ne or-
dinate 2aradic
39 ki je 29 razdalje ∣PminusP+∣ = aradic
3 kjer sta Pminus in P+ presečišči
krožnih lokov s središčema v točkahO inD in polmerom ∣OD ∣ To pomeni
da sta točki Pminus in P+ konstruktibilni
Če bi načrtali celotna krajša krožna loka med Pminus in P+ bi dobili med
njima lečast lik ki so mu nekoč rekli rdquovesica piscisrdquo kar dobesedno pomeni
rdquoribji mehurrdquo Lik je bil zelo znan v srednjeveški sakralni umetnosti
Čeprav v de Slusovem času še niso poznali odvoda funkcije v današn-
jem smislu so že vedeli zahvaljujoč Fermatu da ima funkcija v točki
lokalnega ekstrema vodoravno tangento
28
Spremljajoča parabola
Nastajanje krivulje K spremljajo še nekatere druge bolj ali manj znane
krivulje Najprej si oglejmo kaj dobimo če točko O pravokotno projici-
ramo na premice r in spreminjamo parameter t Dobljena projekcija naj
bo R (slika 15)
V prispevku se pogosto sklicujemo na povezavo med smernima koe-
ficientoma premice in pravokotnice nanjo Koeficienta sta si inverzna in
nasprotna Zato zlahka napišemo enačbo premice r in pravokotnice skozi
O nanjo
y = t(xminusaminusat2) y = minusxt
Njuno presečišče R ima koordinati
x(t) = at2 y(t) = minusat
Z izločitvijo parametra t dobimo y2 = ax kar pomeni da točke R pri spre-
minjanju točkeA po premici x = a opišejo parabolo rdquospremljajočo parabolordquo
ki ima gorišče v točki F(a40) in vodnico v z enačbo x = minusa4
Slika 15 De Slusova perla K in spremljajoča parabola
29
Ogrinjače
Ko drsi točka A po premici x = a premice s ogrinjajo neko krivuljo Ks
Premice s so v točki T krivulje K pravokotne na premice skozi O in T
Njeno enačbo dobimo po standardnem postopku Enačba premic s je
F(xyt) = y +xminusat
+at3 = 0
To je enoparametrična družina premic ki ogrinjajo krivuljo Ks imeno-
vano rdquoogrinjačardquo te družine (slika 16) V vsaki točki ogrinjače se jo dotika
ena premica v različnih točkah različne premice družine Enačbo njihove
ogrinjače v implicitni obliki dobimo tako da iz sistema enačb
Slika 16 De Slusova perla K in ogrinjače Ks Kq Kr
F(xyt) = 0partFpartt
(xyt) = 0
izločimo parameter t Iz enačbe
partFpartt
(xyt) = minus(xminusa)t2 +3at2 = 0
30
dobimo najprej xminusa = 3at4 kar vstavimo v prvo enačbo v sistemu in imamo
y = minus4at3 Dobili smo ogrinjačo v parametrični obliki
x(t) = a(1+3t4) y(t) = minus4at3
Izločimo t in enačba iskane ogrinjače Ks v implicitni obliki je pred nami
27y4 = 256a(xminusa)3
Ker je y dobljene krivulje sorazmeren s potenco (x minus a)34 lahko rečemo
da je ogrinjača premic s četrtkubična parabola
Podobno poiščemo ogrinjačo Kq premic q
F(xyt) = yt +xminusaminusat2 = 0partFpartt
(xyt) = y minus2at = 0
Ogrinjača v parametrični obliki je to pot
x(t) = a(1minus t2) y(t) = 2at
Z izločitvijo parametra t dobimo njeno enačbo v implicitni obliki
y2 = minus4a(xminusa)
Dobljena krivulja Kq je parabola z vodnico x = 2a in goriščem v točki O
(slika 16)
Nazadnje po enakem postopku kot doslej poiščemo še ogrinjačo Kr
premic r
F(xyt) = y minus tx+at +at3 = 0partFpartt
(xyt) = minusx+a+3at2 = 0
Ogrinjača v parametrični obliki je potem
x(t) = a(1+3t2) y(t) = 2at3
31
Z izločitvijo parametra t dobimo njeno enačbo še v implicitni obliki
27ay2 = 4(xminusa)3
Dobljena krivulja Kr je polkubična ali Neilova parabola z ostjo v točki
D(a0) kjer ima vodoravno tangento (slika 16) Krivuljo Ks smo up-
ravičeno imenovali četrtkubična parabola Slednja ima v točki D(a0)
navpično tangento
Edinole premice p od tistih ki sodelujejo v konstrukciji točk krivulje
K nimajo ogrinjače Vse premice p namreč potekajo skozi koordinatno
izhodišče O in očitno ne ogrinjajo nobene krivulje
Nožiščne krivulje
Novo krivuljoHprime dobimo če na tangente dane krivuljeH pravokotno pro-
jiciramo izbrano točko Φ Vse projekcije P nožišča točke Φ na tangentah
krivuljeH sestavljajo krivuljoHprime ki jo imenujemo rdquonožiščnardquo ali rdquopedalna
krivuljardquo krivulje H glede na točko Φ
Beseda rdquopedalenrdquo izhaja iz latinske rdquopedalisrdquo kar pomeni rdquonoženrdquo Os-
novna beseda je rdquopesrdquo v rodilniku ednine rdquopedisrdquo kar pomeni rdquonogardquo Od
tod izvirajo tudi besede rdquopedalordquo rdquopedalarrdquo in rdquopedalinrdquo
Poiščimo nekaj nožiščnih krivulj glede na koordinatno izhodišče O
Najprej za krivuljo K ki je poseben primer de Slusove perle Za odvod
v točki T isinK ki ustreza parametru t dobimo
dy
dx(x) =
y
x(t) =
3t2 minus12t
Enačbi tangente v T in pravokotnice skozi O nanjo pa se glasita
y minusat(1minus t2) =3t2 minus1
2t(xminusa(1minus t2)) y =
2t1minus3t2
x
32
Sekata se v točki P s koordinatama
x(t) =a(t2 minus1)2(1minus3t2)
9t4 minus2t2 +1 y(t) =
2at(t2 minus1)2
9t4 minus2t2 +1 (4)
S tem smo našli parametrični enačbi krivulje Kprime (slika 17) Do implicitne
enačbe je dolga pot prek rezultante dveh polinomov spremenljivke t od
katerih je prvi druge drugi pa pete stopnje Najprej opazimo da je v (4)
yx = 2t(1minus 3t2) kar lahko zapišemo kot p(t) = 3yt2 + 2xt minus y = 0 drugo
enačbo pa zapišemo v obliki q(t) = 2at5 minus 9yt4 minus 4at3 + 2yt2 + 2at minus y = 0
Zaradi enostavnosti smo pisali x in y brez argumenta t Da izločimo pa-
rameter t je treba zapisati rdquorezultantordquo R(p(t)q(t)) polinomov p(t) in
q(t) in jo izenačiti z 0 (glej [14])
R(p(t)q(t)) =
RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR
2a minus9y minus4a 2y 2a minusy 0
0 2a minus9y minus4a 2y 2a minusy
3y 2x minusy 0 0 0 0
0 3y 2x minusy 0 0 0
0 0 3y 2x minusy 0 0
0 0 0 3y 2x minusy 0
0 0 0 0 3y 2x minusy
RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR
= 0
Zadnji stolpec je deljiv z y Ker y = 0 ni del iskane nožiščne krivulje pre-
ostane ko izračunamo determinanto in jo okrajšamo z y in preuredimo
27y2(x2 +y2)2 +4ax(x2 minus9y2)(x2 +y2)minus4a2(x2 minusy2)2 = 0
Rezultat je torej algebrska krivulja šeste stopnje Krivulja je simetrična
glede na abscisno os točka O pa je njena posebna točka Za zelo majhne
x in y prevlada zadnji člen kar pomeni da sta premici y = x in y = minusx v O
tangenti na krivuljo
33
Slika 17 Nožiščna krivulja Kprime krivulje K glede na koordinatno izhodišče
Zanka krivulje Kprime nekoliko spominja na srčnico ali kardioido ki jo
opisujejo točke krožnice ki se brez drsenja kotali po enako veliki krožnici
Krivulja Kprime ima še neomejeni del ki se razteza po drugem in tretjem kvad-
rantu Poglejmo kako potuje točka po krivulji v parametrizaciji (4) ko
parameter t teče po številski premici Za t lt minus1 poteka krivulja po tretjem
kvadrantu pri čemer x(t)rarr minusinfin in y(t)rarr minusinfin ko t rarr minusinfin Pri t = minus1 točka
doseže O v obliki osti ki ima za tangento premico y = x Za minus1 lt t lt 0
potuje točka po četrtem kvadrantu doseže točko D pri t = 0 za 0 lt t lt 1
potuje naprej po prvem kvadrantu in pri t = 1 spet doseže O kjer ima
ost s tangento y = minusx nato nadaljuje pot po drugem kvadrantu pri čemer
x(t)rarr minusinfin in y(t)rarrinfin ko trarrinfin
Nožiščna krivulja malo prej obravnavane krivulje Ks glede na točko O
ni nič drugega kot krivulja K Premice s so namreč tangente na Ks nožišča
točke O na njej pa so točke krivulje K Lahko pa to preverimo z računom
34
tako kot smo poiskali nožiščno krivuljo Kprime za K glede na točko O
Za odvod v poljubni točki na Ks ki ustreza parametru t dobimo
dy
dx(x) =
y
x(t) = minus
1t
Enačbi tangente v tej točki in pravokotnice skozi O nanjo pa se glasita
y +4at3 = minus1t(xminusa(1+3t4)) y = tx
Sekata se v točki s koordinatama
x(t) = a(1minus t2) y(t) = at(1minus t2)
To sta ravno parametrični enačbi krivulje K tako da velja Kprimes =K
Podobno ugotovimo tudi da je premica x = a nožiščna krivulja za para-
bolo Kq Premica x = a je tangenta te parabole v temenu V splošnem je
temenska tangenta parabole kar njena nožiščna krivulja glede na gorišče
Ugotovili smo torej da je nožiščna krivulja krivulje Kr spremljajoča para-
bola krivulje K
Ekstremne točke nožiščne krivulje Kprime
Ekstremne točke na zanki krivulje Kprime dobimo iz odvodov
x(t) =2at(1minus t2)(3t2 +1)(9t4 +2t2 minus3)
(9t4 minus2t2 +1)2
y(t) =2a(t2 minus1)(3t2 +1)(3t4 +6t2 minus1)
(9t4 minus2t2 +1)2
Za t = 0 doseže v točki D(a0) abscisa svojo največjo vrednost Za t = plusmn1
poteka krivulja skozi točko O kjer sama sebe preseka pod pravim kotom
ker je yprime(0) = (yx)(plusmn1) = ∓1
35
Najmanjšo absciso na zanki ima krivulja Kprime v točki ki jo določa para-
meter t za katerega velja pogoj 9t4 +2t2 minus3 = 0 To je bikvadratna enačba
katere realni rešitvi sta tplusmn = plusmnradic
2radic
7minus13 ustrezni točki na krivulji pa
izračunamo z enačbama (4) in dobimo
Xplusmn(a(17minus7radic
7)27plusmnaradic
74radic
7minus17227)
Ekstremni ordinati na zanki ima krivulja takrat za tisto vrednost para-
metra t za katerega velja pogoj 3t4 + 6t2 minus 1 = 0 Realni rešitvi te bi-
kvadratne enačbe sta tplusmn = plusmn(3radic
2minusradic
6) 4radic
36 ustrezni točki na krivulji pa
Yplusmn(a(3minusradic
3)3plusmna 4radic123)
Ker v koordinatah ekstremnih točk nastopajo poleg osnovnih aritmetičnih
operacij le kvadratni in bikvadratni (četrti) koreni so te točke konstruk-
tibilne
Cisoida
Spoznali smo enega od načinov pridobivanja novih ravninskih krivulj iz
danih to je z nožišči izbrane točke na tangentah dane krivulje Krivulji
s tem priredimo nožiščno krivuljo glede na izbrano točko Drug tak pre-
prost način kako iz znanih krivulj dobimo nove je cisoidni način Kako
pa ta poteka
Denimo da sta znani krivulji K1 in K2 ter točka O ki ležijo v isti
ravnini Pri tem sta K1 in K2 taki krivulji da vsaka premica p skozi O
ki seka K1 v neki točki T1 seka tudi K2 recimo v točki T2 (slika 18) Za
vsak T1 označimo na p točko T tako da veljaETHOT =
ETHETHT1T2 Ko T1 potuje po
K1 T opiše krivuljo C ki jo imenujemo cisoida krivulj K1 in K2 glede na
točko O Definicije take cisoide se nekoliko razlikujejo od vira do vira
36
Slika 18 Krivulja C je cisoida krivulj K1 in K2 glede na točko O
Dioklova cisoida s katero rešimo problem podvojitve kocke je cisoida
krožnice x2 + y2 = ax in premice x = a glede na koordinatno izhodišče O
Več o cisoidah in njihovi uporabi je napisanega na primer v [8]
Krivulja K je povezana tudi s polkubično ali semikubno ali Neilovo
parabolo poimenovano po Williamu Neilu (1637ndash1680) Parametrični
enačbi (3) lahko zapišemo v vektorski obliki v standardni bazi kot razliko
kolinearnih vektorjev
r(t) = (x(t)y(t)) =ETHOT = (a(1minus t2)at(1minus t2)) = (aat)minus (at2at3)
Vektor r1(t) = (aat) = (a0)+at(01) je enačba premice x = a v parametrični
obliki vektor r2(t) = (at2at3) pa polkubične parabole ki ima enačbo ay2 =
x3 in ost v točkiO Parameter t geometrijsko pomeni tangens naklonskega
kota premice OA (slika 13)
Premica y = tx poteka skozi koordinatno izhodišče O in seka premico
x = a v točkiA(aat) zato jeETHOA = r1 Ista premica seka polkubično parabolo
P ki ima enačbo ay2 = x3 v točki P (at2at3) tako da jeETHOP = r2 S tem je
ETHPA =
ETHOAminus
ETHOP = r1minus r2 = r To pomeni da je r =
ETHOT =
ETHOAminus
ETHOP Potemtakem
je krivulja K cisoida polkubične parabole P z enačbo ay2 = x3 in premice
37
Slika 19 De Slusova perla K kot cisoidna krivulja
x = a glede na točko O (slika 19)
Neilova parabola in ločna dolžina
Neilova ali polkubična parabola ay2 = x3 je bila v zgodovini matematike
pomembna kot ena prvih krivulj za katero so znali izračunati ločno dolžino
Prav prvi je to znal John Wallis (1616ndash1703) leta 1657
Denimo da nas zanima ločna dolžina `(b) te krivulje nad intervalom
[0b] (slika 20) Znano je da lahko uporabimo formulo za ločno dolžino
krivulje ki je dana v eksplicitni obliki
`(b) = intb
0
radic
1+yprime2dx
Pri tem je y = f (x) enačba krivulje in yprime = f prime(x) V našem primeru je y =
38
Slika 20 Neilova ali polkubična parabola
f (x) = plusmnradicx3a Kratek račun nam da yprime2 = 9x(4a) in
`(b) = intb
0
radic
1+9x4adx
Z uvedbo nove integracijske spremenljivke u z relacijo u2 = 1 + 9x(4a)
dobimo
`(b) =8a9 int
c
1u2du =
8a27
(c3 minus1)
pri čemer je c =radic
1+9b(4a)
Leibnizeva izohrona je krivulja po kateri se je leta 1687 vprašal G W
Leibniz Poiskati je treba v navpični ravnini krivuljo po kateri se brez
trenja giblje točkasta masa ki je podvržena konstantnemu težnostnemu
polju tako da je navpična komponenta njene hitrosti ves čas konstantna
Nalogo je prvi rešil C Huygens nizozemski astronom fizik in matema-
tik znan tudi po odkritju Saturnovega satelita Titana in znamenitih Sat-
urnovih obročev ter po izdelavi prve ure na nihalo kar je bilo za tiste čase
velik napredek v merjenju točnega časa
39
Slika 21 Leibnizeva izohrona
Izhodišče O postavimo v najvišjo točko krivulje (slika 21) V tej točki
je horizontalna hitrost premikajoče se mase m enaka 0 Naj bo v0 njegova
navpična hitrost navzdol Os y je vodoravna os x pa usmerjena navz-
dol Potencialno energijo mase računamo nad izbranim nivojem spodaj V
skladu z načelom ohranitve mehanske energije v času t in času 0 potem
velja12mv2(t)+mg(hminusx(t)) =
12mv2
0 +mgh
Pri tem je g težni pospešek Po poenostavitvi dobimo v2(t) = 2gx(t)+ v20
Vektor hitrosti ima v vsakem trenutku med seboj pravokotni komponenti
v(t) = (x(t) y(t)) za t = 0 pa v(0) = (v00) Upoštevamo da je ∣v(t)∣2 =
v2(t) = x2(t) + y2(t) in da je x(t) = v0 pa imamo sistem diferencialnih
enačb
x(t) = v0 y(t) =radic
2gx(t)
ki ga rešimo pri začetnih pogojih x(0) = y(0) = 0 in dobimo
x(t) = v0t y(t) =23
radic2gv0t3
40
Koordinati točk na dobljeni krivulji zadoščajo enačbi
ay2 = x3 a =9v2
0
8g
Pri dani konstanti a je v0 = (23)radic
2ag Iskana krivulja je torej Neilova
parabola Ime izohrona je dobila zato ker točkasta masa po vertikali
v enakih časih prepotuje enake razdalje V grščini beseda ἴσος pomeni
rdquoenakrdquo χρόνος pa rdquočasrdquo
Dolžina ` zanke krivulje K nas pripelje do zapletenega eliptičnega in-
tegrala za katerega zapišimo približno vrednost
` = 2aint1
0
radic9t4 minus2t2 +1dt ≐ 271559186a
Pač pa je dolžina loka ` četrtkubične parabole Ks ogrinjače premic s bolj
prijazna Za dolžino loka od točke D ki ustreza parametru t = 0 do točke
ki ustreza parametru t = α dobimo
` = 12aintα
0t2
radic1+ t2dt =
3a2
(α(1+2α2)radic
1+α2 minus ln(α +radic
1+α2))
Prav tako dolžina loka ` navadne parabole Kq ogrinjače premic q ne
dela težav Za dolžino loka od točke D ki ustreza parametru t = 0 do
točke ki ustreza parametru t = α dobimo
` = 2aintα
0
radic1+ t2dt = a(α
radic1+α2 + ln(α +
radic1+α2))
Za spremljajočo parabolo dobimo prav tako enostaven rezultat za ločno
dolžino od točke O do točke ki ustreza parametru t = α
` = intα
0
radic1+4t2dt =
a4(2α
radic1+4α2 + ln(2α +
radic1+4α2))
Nazadnje zapišimo še ločno dolžino polkubične parabole Kr
` = 6aintα
0tradic
1+ t2dt = 2a((1+α2)radic
1+α2 minus1)
41
Pri vseh zgornjih primerih je parameter t strmina premice p v prvotni
konstrukciji krivulje K
Ploščine in prostornine
Ploščina S lika ki ga omejuje zanka krivulje K je
S =2radica int
a
0xradicaminusxdx
Z uvedbo nove integracijske spremenljivke t z relacijo aminusx = t2 je
S =4radica int
radica
0t2(aminus t2)dt =
4radica int
radica
0(at2 minus t4)dt =
8a2
15
Lahko pa jo izrazimo tudi s splošno formulo ki smo jo izpeljali na začetku
razdelka S to formulo lahko izrazimo še prostornino V telesa ki ga pri
rotaciji okoli osi x opiše lik
V =πa int
a
0x2(aminusx)dx =
πa3
12
To je ravno polovica prostornine krogle s premerom a
Pač pa je izraz za ploščino S prime lika ki ga omejuje zanka krivulje Kprime bolj
zapleten izraz Uporabimo parametrični enačbi (4) in dobimo
S prime = int1
0(x(t)y(t)minus x(t)y(t))dt = 2a2
int
1
0
(1minus t2)3(1+2t2 minus3t4)(9t4 minus2t2 +1)2 dt
Če se zanesemo na računalniško računanje določenih integralov potem je
S prime =2a2
729(3(43πminus28)+52
radic2ln(1+
radic2))
kar je približno S prime ≐ 1059206796a2 Do enakega rezultata pridemo z
navidez enostavnejšo formulo
S prime = 2inta
0y(x)dx
42
toda drugim težjim integralom
S prime = 2int0
1y(t)x(t)dt = minus8a2
int
1
0
t2(1minus t2)3(3t2 +1)(9t4 +2t2 minus3)(9t4 minus2t2 +1)3 dt
Zakaj smo integrirali po parametru t od 1 do 0 Zato ker abscisa x narašča
od 0 do a ko t pada od 1 do 0 Ordinata y pa je pri tem nenegativna (glej
izraza (4))
Tudi izraz za prostornino V prime telesa ki ga pri rotaciji okoli osi x opiše
lik omejen s Kprime je navidez enostaven
V prime =πinta
0y2(x)dx
toda s parametrom t je zapleten a eksaktno izračunljiv
V prime =πint0
1y2(t)x(t)dt = 8πint
1
0
t3(t2 minus1)5(3t2 +1))(9t4 +2t2 minus3)(9t4 minus2t2 +1)4 dt
Za rezultat dobimo
V prime =2πa3
19683(431π
radic2+369+744ln2)
kar je približno V prime ≐ 08936800975a3
Naj bo s tem računanja integralov dovolj V nadaljevanju se bomo
posvetili nekaterim lažjim problemom
Tangenta
Pri krivuljah v koordinatnem sistemu Oxy so pomembni štirje dotikalni
elementi za posamezne točke T odsek na tangenti ∣TA∣ odsek na normali
∣T B∣ subtangenta ∣AT prime∣ in subnormala ∣BT prime∣ (slika 23) Izražajo se takole
∣TA∣ = ∣y
yprime
radic
1+yprime2∣ ∣T B∣ = ∣yradic
1+yprime2∣ ∣T primeA∣ = ∣y
yprime∣ ∣T primeB∣ = ∣yyprime∣
43
Slika 22 Ploščini likov omejenih z zankama krivulj K in Kprime
Pri tem pomeni yprime = f prime(x) če je enačba krivulje y = f (x) Točka T prime je pra-
vokotna projekcija točke T na abscisno os A je presečišče tangente na
krivuljo v točki T z osjo x B pa presečišče normale z osjo x Dotikalni
elementi so posebej definirani tudi za krivulje v polarnih koordinatah
Slika 23 Dotikalni elementi krivulje
De Sluse je za algebrsko krivuljo f (xy) = 0 po svoje našel izraz za sub-
tangento ts to je pravokotno projekcijo odseka na tangenti
44
na os x V današnji pisavi se subtangenta izraža v obliki
ts = minusy
partfparty (xy)
partfpartx (xy)
Za krivuljo K je f (xy) = ay2 minusx2(aminusx) = 0 in
ts =2x(xminusa)3xminus2a
Lotimo se še konstrukcije tangente t in normale n naK v točki T0(x0y0) ne
O ki enolično določa točko A(aay0x0) kot presečišče premice p skozi O
in T0 s premico x = a Skozi A povlecimo vzporednico nprime z normalo n na K
v točki T0 Normala ima smerni koeficient kn = tsy0 oziroma
kn =
partfparty (x0y0)
partfpartx (x0y0)
=2ay0
x0(3x0 minus2a)
Premica nprime ima enačbo
y minusay0
x0=
2ay0
x0(3x0 minus2a)(xminusx0)
in preseka abscisno os v točki T1(x10) za katero po krajšem računu do-
bimo x1 = 2a minus 3x02 Točko T1 in premico nprime zlahka geometrijsko kon-
struiramo Iskana tangenta t v točki T0 je pravokotna na nprime normala n pa
vzporedna z nprime (slika 24)
Inverzija krivulje K na krožnici
Po navadi za ravninske krivulje pogledamo še njihove inverzne slike na
krožnici Inverzija ali zrcaljenje na krožnici x2 + y2 = r2 je ravninska pres-
likava ι definirana s predpisom
ι ∶ (xy)↦ (r2x
x2 +y2 r2y
x2 +y2)
45
Slika 24 Tangenta in normala na krivuljo K
S spreminjanjem polmera r krožnice dobimo med seboj podobne krivulje
Če zrcalimo na krožnici x2 + y2 = a2 krivuljo K ki ima implicitno enačbo
(2) dobimo krivuljo Klowast ki ima enačbo
y4 = minusx3(aminusx)
ki je formalno oblike (2) zam = 4n = 3p = 1 in k = minus1 Dobljena krivuljaKlowast
je simetrična glede na os x ima dve veji abscisa na njej doseže ekstremni
vrednosti v točkah O(00) in D(a0) Ima pa kot bomo videli tudi dve
asimptoti y = xminusa4 in y = minusx+a4 (slika 25)
Krivuljo Klowast se da lepo parametrizirati s parametrom τ če v njeno
enačbo y4 = minusx3(aminusx) vstavimo y = τx Dobimo
x(τ) =a
1minusτ4 y(τ) =aτ
1minusτ4
To sta parametrični enačbi krivulje Klowast
Ko τ uarr minus1 x(τ)rarr minusinfin in y(τ)rarr +infin ko τ darr minus1 x(τ)rarr +infin in y(τ)rarr minusinfin
ko τ uarr +1 x(τ)rarr +infin in y(τ)rarr +infin ko τ darr +1 x(τ)rarr minusinfin in y(τ)rarr minusinfin
46
Slika 25 Inverzna slika Klowast krivulje K
Konstanti k in n poševne asimptote y = kx + n krivulje Klowast dobimo s
formulama
k = limxrarrplusmninfin
y
x n = lim
xrarrplusmninfin(y minus kx)
V našem primeru je
k = limxrarrplusmninfin
y
x= limτrarrplusmn1
τ = plusmn1 n = a limτrarrplusmn1
τ ∓11minusτ4 = ∓
a4
Poševni asimptoti sta torej premici y = plusmn(xminusa4)
Obnašanje krivulje v okolici točke D utemeljimo če zapišemo impli-
citno obliko krivulje nekoliko drugače
y4 = (xminusa)x3 = (xminusa)(a+(xminusa))3 = a3(xminusa)+3a2(xminusa)2+3a(xminusa)3+(xminusa)4
47
Slika 26 Krivulja Klowast in približka v okolici točk O in D
Za x ki je zelo blizu a prevlada na desni prvi člen tako da je y4 asymp a3(xminusa)
Razlika xminusa se torej obnaša približno tako kot bikvadrat ordinate y
V okolici točke O kjer so abscise negativne iz istega razloga velja y4 asymp
minusax3 zato se tam krivulja obnaša približno tako kot četrtkubična parabola
(slika 26)
Inverzija krivulje Kprime na krožnici
Na krožnici x2 + y2 = a2 zrcalimo še krivuljo Kprime nožiščno krivuljo krivulje
K glede na točko O Dobimo dvodelno krivuljo Kprimelowast kakršno vidimo na
sliki 27
Enačba nove krivulje v implicitni obliki je
4(x2 minusy2)2 minus4ax(x2 minus9y2)minus27a2y2 = 0
48
Slika 27 Inverzna slika Kprimelowast krivulje Kprime
Krivulja je algebrska četrte stopnje je simetrična glede na os x ima ost
z vodoravno tangento v točki O skozi točko D pa poteka v blagem loku
Natančneje ugotovimo približni potek krivulje v okolici teh dveh točk če
v zgornji enačbi obdržimo prevladujoče člene V okolici točke O kjer so
abscise negativne je ay2 asymp minus4x327 torej približno tako kot polkubična
parabola V okolici točke D(a0) je y2 asymp minus4a(x minus a) kar pomeni da se
krivulja obnaša približno tako kot parabola
Pritisnjeni krožnici na K
Pritisnjeni krožnici v točki O na krivuljo K sta inverzni sliki asimptot
krivulje Klowast na krožnici x2 + y2 = a2 Preprost račun pokaže da se asimp-
toti krivulje Klowast z inverzijo ι preslikata v krožnici x2 + y2 plusmn4ay minus4ax = 0 ki
imata središči v točkah Splusmn(2aplusmn2a) in polmer 2aradic
2 Sekata se pavokotno
v točkah O in M(4a0) Inverzija ι namreč ohranja kote (slika 28)
49
Slika 28 Pritisnjeni krožnici na krivuljo K v točki O
Ukrivljenost κ(t) krivulje K v točki ki ustreza parametru t brez težav
izračunamo iz njenih parametričnih enačb (3)
κ(t) =2(3t2 +1)
a(1minus2t2 +9t4)32
V posebnem primeru je v točki O to se pravi za t = plusmn1 ukrivljenost enaka
κ(plusmn1) = 1(2aradic
2) zato sta v O polmera pritisnjenih krožnic 1κ(plusmn1) =
2aradic
2 kar se seveda ujema z rezultatom dobljenim z inverzijo na krožnici
Toksoida
Videli smo da je inverzna slika krivulje K krivulja Klowast ki ima enačbo y4 =
minusx3(aminusx) ki je formalno oblike (2) zam = 4n = 3p = 1 in k = minus1 Prav tako
je krivulja ay2 = minusx2(aminus x) ki jo dobimo iz enačbe ay2 = x2(aminus x) krivulje
K če zamenjamo aminus x z x minus a formalno oblike (2) za m = 2n = 2p = 1 in
50
k = minus1a Krivuljo označimo jo s T ki ima enačbo
ay2 = x2(xminusa)
je nemški amaterski matematik samouk in izumitelj Diedrich (tudi Diede-
rich) Uhlhorn (1764ndash1837) imenoval rdquotoksoidardquo V svojem delu [13] obrav-
nava več krivulj in za nekatere tudi opiše mehanske naprave s katerimi
se jih da risati pa tudi njihovo uporabo pri reševanje enačb Beseda rdquotok-
soidardquo izvira iz dveh grških τόξον kar pomeni rdquolokrdquo (kot orožje) pa tudi
rdquopuščicardquo in εἶδος kar med drugim pomeni rdquooblika podobardquo D Uhlhorn
je imenoval krivuljo v nemščini rdquoBogenlinierdquo ker nemški samostalnik rdquoBo-
genrdquo pomeni prav tako rdquolokrdquo Iz besede τόξον smo dobili tudi besede ki
so povezane s strupi kajti bojne puščice so bile često zastrupljene
Slika 29 Toksoida
Toksoida ima tudi izolirano točkoO(00) saj njeni koordinati zadoščata
implicitni enačbi
Iz implicitne enačbe toksoide dobimo z zamenjavo y = tx njeni parametri-
čni enačbi
x(t) = a(1+ t2) y(t) = at(1+ t2) (5)
ki pa ne vključujeta izolirane točke O
51
Toksoida je algebrska krivulja tretje stopnje simetrična glede na os x
ki jo preseka za t = 0 v točki D(a0) kjer ima navpično tangento Krivulja
na prvi pogled ni nič posebnega a že D Uhlhorn je pokazal kako se kon-
struira njene posamezne točke in kako se z njo podvoji kocko
Slika 30 Konstrukcija točk toksoide
Do točke T na toksoidi pridemo takole V koordinatnem sistemu Oxy
za pozitiven a določimo točko D(a0) in skoznjo konstruiramo pravokot-
nico na os x torej premico x = a (slika 30) Na tej premici izberemo točko
A ki jo bomo spreminjali da bomo dobili krivuljo Skozi O in A nato
načrtamo premico p v A pa nanjo pravokotnico q ki seka abscisno os v
točki B V B postavimo na abscisno os pravokotnico r ki preseka premico
p v točki T Ko A potuje po premici x = a točka T opiše toksoido T brez
izolirane točke O
Da res dobimo toksoido T je treba samo zapisati enačbi y = tx premice
p in y = minus(x minus a)t + at premice q ter točki A(aat) in B(a(1 + t2)0) ter
T (a(1+t2)at(1+t2)) Koordinati točke T pa res dasta paramatrični enačbi
52
toksoide
Slika 31 Konstrukcija srednjih geometrijskih sorazmernic s toksoido
Iz podobnih trikotnikov ODA OAB in OBT na sliki 30 sledi relacija
∣OD ∣
∣OA∣=∣OA∣
∣OB∣=
∣OB∣∣OT ∣
kar pomeni da sta ∣OA∣ in ∣OB∣ srednji geometrijski sorazmernici daljic
∣OD ∣ = a in ∣OT ∣ = b Zato lahko izrazimo ∣OA∣ =3radica2b in ∣OB∣ =
3radicab2 na isti
način kot pri (3)
Če imamo že načrtano toksoido T potem srednji geometrijski sorazmer-
nici za a in b gt a dobimo tako da poiščemo presečišče T krožnice s sredi-
ščem v O skozi točko C(b0) in na zgoraj opisan način poiščemo premice
pq in r ter točki A in B (slika 31) Za b = 2a na ta način rešimo problem
podvojitve kocke ∣OA∣ = a 3radic
2
Ukrivljenost κ(t) toksoide T v točki ki ustreza parametru t brez težav
53
izračunamo iz njenih parametričnih enačb (5)
κ(t) =2(3t2 minus1)
a(1+10t2 +9t4)32
Opazimo da ukrivljenost menja predznak pri t = plusmn1radic
3 kar nam da točki
Pplusmn(4a3plusmn4aradic
39) v katerih ima T prevoja s tangentama s smernima koe-
ficientoma plusmnradic
3 Tangenti oklepata z osjo x kota plusmnπ3 Pritisnjena krožnica
v točki D ki ustreza t = 0 ima za polmer 1∣κ(0)∣ = a2 in središče v točki
S(3a20) (slika 32)
Slika 32 Prevoja toksoide T in pritisnjena krožnica v točki D
Prevoja sta konstruktibilna pri čemer si lahko pomagamo z vesico pis-
cis nad daljico OD Njeni točki Vplusmn sta narazen za aradic
3 premici skozi O
in Vplusmn pa določata smeri tangent v prevojih Prav tako je konstruktibilna
točka S V okolici točk D in Pplusmn je ujemanje toksoide s pritisnjeno krožnico
v D in tangentama v prevojih Pplusmn zelo dobro
54
Enačba toksoide T v polarnih koordinatah in ϕ je
(ϕ) =a
cos3ϕ
kar sledi iz njene implicitne oblike
a(x2 +y2) = x3
Pri tem je treba le upoštevati zvezi x2 +y2 = 2 in x = cosϕ
Polarna oblika je zelo primerna za študij inverzije na krožnici s središčem
v točki O in polmerom R Če je namreč lowast polarni polmer invertirane
krivulje mora veljati relacija
(ϕ)lowast(ϕ) =R2
Če izberemo R = a dobimo za inverzno sliko toksoide T krivuljo (slika 33)
T lowast ki ima nasledno enačbo v polarnih koordinatah
lowast(ϕ) = acos3ϕ
Slika 33 Inverzna slika T lowast toksoide T
55
Iz polarne oblike krivulje T lowast hitro izpeljemo še njeno implicitno enačbo
(x2 +y2)2 = ax3
Torej je T lowast algebrska krivulja četrte stopnje
Ploščino S lika ki ga ograjuje krivulja T lowast izračunamo po znani for-
muli
S = 2 sdot12 int
π2
0lowast2(ϕ)dϕ = a2
int
π2
0cos6ϕdϕ = a2 sdot
56
sdotπ2=
5πa2
32
Krivulja T lowast je simetrična glede na os x v točkah O in D ima navpični
tangenti največji odklon od osi x pa doseže v točkah Yplusmn(9a16plusmn3aradic
316)
kjer ima vodoravni tangenti in sicer pri polarnih kotih plusmnπ6
De Slusove pomnoževalke hiperkock
Podvojitev kocke je kot vemo klasični grški geometrijski problem ki se ga
ne da rešiti evklidsko to je samo z neoznačenim ravnilom in šestilom kar
so dokazali šele v 19 stoletju Problem zahteva določiti rob kocke ki ima
prostornino enako dvakratniku prostornine dane kocke To pomeni da
je treba za dano daljico a konstruirati tako daljico b za katero je b = a 3radic
2
Problem podvojitve kocke so Grki znali rešiti na več načinov Eden od njih
je možen s posebno ravninsko krivuljo z Dioklovo cisoido (več na primer
v [7])
Povsem smiselno se je vprašati kako bi pomnožili s faktorjem s gt 0
poljubno r-razsežno hiperkocko z robom a Njena prostornina je ar zato
je b = a rradics rob hiperkocke katere prostornina je s-kratnik prostornine
hiperkocke z robom a Dva primera sta trivialna Za r = 1 imamo daljico
56
njena rdquoprostorninardquo je kar njena dolžina a za r = 2 pa kvadrat čigar rdquopros-
torninardquo je kar njegova ploščina a2 Za r = 3 imamo opraviti z običajno
kocko z običajno prostornino a3 V prvih dveh primerih množenje s fak-
torjem s ni problematično saj s problemom lahko geometrijsko rešimo s
podobnimi trikotniki in z višinskim izrekom v pravokotnem trikotniku
Za r ge 4 si r-razsežno hiperkocko teže predstavljamo ker je ne moremo
realizirati z običajno geometrijo To pa ni ovira pri pomnožitvi take hiper-
kocke s številom s ker moramo znati samo njen rob a geometrijsko pom-
nožiti s številom rradics kar pa lahko naredimo v običajni ravnini V mate-
matični analizi je r-razsežna hiperkocka z robom a na primer kar r-kratni
kartezični produkt intervala [minusa2a2] s samim seboj to je množica
[minusa2a2]r = (x1x2 xr) isinRr ∶ ∣x1∣ le a2 ∣x2∣ le a2 ∣xr ∣ le a2
Oglejmo si de Slusove perle (2) z eksponenti mn =mminus 1 in p = 1 fak-
torjem k = 1 ter a gt 0 pri čemer je m sodo število to se pravi krivulje z
implicitno enačbo
ym = xmminus1(aminusx) (6)
oziroma xm + ym = axmminus1 Pri danem m označimo ustrezno krivuljo s Hm
Med njimi je tudi stara znanka x2 + y2 = ax krožnica s polmerom a2
in središčem v točki S(a20) Skupne vsem krivuljam so točke O(00)
Cplusmn(a2plusmna2) D(a0) ter navpični tangenti v O in D Krivulje Hm so za-
ključene in simetrične glede na os x in se dajo lepo parametrizirati z y = tx
Za vsako dobimo parametrično enačbo
x(t) =a
1+ tm y(t) =
at1+ tm
(7)
Najbolj se taka krivulja oddalji od abscisne osi za t = 1 mradicmminus1 v točkah
Yplusmn(a(mminus1)mplusmnam mradic
(mminus1)mminus1) Za t = 0 dobimo točko D za ∣t∣rarrinfin pa
57
se krivulja bliža točki O Slika 34 kaže nekaj primerov
Slika 34 Nekaj krivulj Hm
Naj bo s poljubno pozitivno število in A(0as) točka na osi y Premica
skozi A in D preseka krivuljo Hm v točkah D(a0) in B(x0y0) za katero
potrebujemo samo razmerje y0x0 Na sliki 35 je izbran eksponent m = 4
Premica skozi A in D ima enačbo xa+sya = 1 iz katere izrazimo aminusx = sy
in vstavimo v enačbo (6) Dobimo ym = ysxmminus1 Ker iščemo točko B s
pozitivno ordinato lahko z y krajšamo in dobimo y0x0 =mminus1radics
Premica skozi O in B ima enačbo y = y0xx0 in preseka premico x = a
v točki C(aay0x0) oziroma C(aa mminus1radics) Zato je ∣DC∣ = ∣OD ∣ mminus1
radics) V
primeru m = 4 in s = 2 je ∣DC∣ = ∣OD ∣3radic
2) kar pomeni da se nam je pos-
rečilo podvojiti trirazsežno kocko Za s = 3 kocko potrojimo za s = 4
početverimo itd Še več zam = 6 in s = 2 podvojimo 5-razsežno hiperkocko
58
za s = 3 jo potrojimo za s = 4 početverimo itd
Slika 35 Krivulja H4 in pomnožitev roba trirazsežne kocke
Lihih m nam ni treba posebej obravnavati ker krivulje Hm ne bi bile
prave de Slusove perle Poleg tega bi tedaj bil mminus 1 sodo število denimo
m minus 1 = 2αq z naravnim α in lihim q Korenjenje se potem da izvesti z
α-kratnim kvadratnim korenjenjem in enim q-tim korenjenjem s krivuljo
Hq+1 kakor smo zgoraj opisali
Drug način za pomnožitev hiperkock poteka s cisoidami Cm krivuljHm
in premice x = a Pri parametru t premica y = tx preseka premico x = a
v točki C(aat) točka B pa ima tedaj koordinati dani z parametričnima
enačbama (7) S koordinatami točk B in C imamo takoj
ETHBC = (aminus
a1+ tm
at minusat
1+ tm) = (
atm
1+ tmatm+1
1+ tm)
59
Slika 36 Nekaj krivulj Cm
Da bo točka T na cisoidi Cm mora veljati zvezaETHOT =
ETHBC Potemtakem ima
Cm parametrični enačbi
x(t) =atm
1+ tm y(t) =
atm+1
1+ tm (8)
Ker je t = yx dobimo še implicitno enačbo krivulje Cm
xm+1 = ym(aminusx) (9)
oziroma x(xm+ym) = aym Krivulje so za sodem definirane nad intervalom
60
[0a) so simetrične glede na os x imajo za asimptoto premico x = a in
potekajo skozi koordinatno izhodišče O in točki Cplusmn(a2plusmna2) Asimptoti
se krivulja bliža ko ∣t∣ rarr infin V točki O pri t = 0 imajo ost z vodoravno
tangento Za m = 2 dobimo staro znanko Dioklovo cisoido
Slika 37 Krivulja C4 in pomnožitev roba 5-razsežne hiperkocke
Izberimo sedaj na ordinatni osi točko A(0as) pri čemer je s pozi-
tivno število in vzemimo premico skozi točki A in D (slika 37) Ta ima
enačbo xa + y(as) = 1 iz katere izrazimo a minus x = ys Premica preseka
cisoido Cm v točki M(x0y0) s pozitivno ordinato Iz enačb premice skozi
A in D in (9) dobimo y0x0 = m+1radics Premica skozi točki O in M ima
enačbo y = y0xx0 in preseka premico x = a v točki E(aa m+1radics) Torej velja
61
zveza ∣DE∣ = ∣OD ∣ m+1radics kar pomeni da smo našli rob (m + 1)-razsežne
hiperkocke ki ima za prostornino s-kratnik prostornine dane (m + 1)-
razsežne hiperkocke
Naj bo Sm ploščina lika ki ga omejuje krivulja Hm in Qm ploščina
neomejenega lika ki ga omejuje krivulja Cm z asimptoto Ni ju težko
izraziti
Pm =a2(mminus1)πm2 sin π
m Qm =
a2(m+1)πm2 sin π
m
Nadalje naj bo Vm prostornina telesa ki nastane z rotacijo krivulje Hm
okoli osi x Wm pa prostornina neomejenega telesa ki nastane z rotacijo
krivulje Cm okoli osi x Prav tako ju ni težko izraziti
Vm =2a3(mminus1)(mminus2)π2
3m3 sin 2πm
Wm =2a3(m+1)(m+2)π2
3m3 sin 2πm
Ploščine in prostornine so poleg drugega zanimale že matematike v
17 stoletju zlasti C Huygensa Izračunajmo prostornino telesa Um ki
nastane z rotacijo lika med cisoido in njeno asimptoto okoli te asimptote
(slika 38) Uporabili bomo sodobne zapise in Eulerjevi funkciji B in Γ ki
ju C Huygens še ni mogel poznati Presek nastalega telesa na višini y je
krog s polmerom aminusx in ploščino π(aminusx)2 Upoštevamo še simetrijo lika
glede na os x uporabimo parametrično obliko (8) in nastavimo integral
Um = 2πintinfin
0(aminusx(t))2y(t)dt = 2πa3
int
infin
0
tm(tm +m+1)(1+ tm)4 dt
ki ga lahko izrazimo v obliki
Um = 2πa3(I2 + (mminus1)I3 minusmI4)
pri čemer je
Ik = intinfin
0
dt
(1+ tm)k
62
ki ima za m ge 2 in k ge 1 končno vrednost S substitucijo u = 1(1 + tm)
dobimo
Ik =1m int
1
0ukminus1minus1m(1minusu)1mminus1du =
1m
B(kminus1m1m) =Γ(k minus1m)Γ(1m)
mΓ(k)
Na koncu je rezultat zelo preprost
Um =2π2a3(m2 minus1)
3m3 sin πm
Prve tri prostornine so
U2 =π2a3
4 U4 =
5radic
2π2a3
32 U6 =
35π2a3
162
Slika 38 Telo nastalo z zasukom lika med krivuljo C2 in njeno asimptoto
okoli te asimptote
Izračunajmo prostornino telesa Um ki nastane z rotacijo lika med cisoido
in njeno asimptoto okoli osi y (slika 39) Presek nastalega telesa na višini y
63
je krožni kolobar z notranjim polmerom x in zunanjim polmerom a ki ima
ploščino π(a2minusx2) Upoštevamo še simetrijo lika glede na os x uporabimo
parametrično obliko (8) in nastavimo integral
Um = 2πintinfin
0(a2 minusx2(t))y(t)dt = 2πa3
int
infin
0
tm(tm +m+1)(2tm +1)(1+ tm)4 dt
ki ga lahko izrazimo z zgoraj vpeljanimi integrali Ik v obliki
Um = 2πa3(2I1 + (2mminus3)I2 minus (3mminus1)I3 +mI4)
Na koncu dobimo za rezultat
Um =2π2a3(m+1)(2m+1)
3m3 sin πm
Prve tri prostornine so
U2 =5π2a3
4 U4 =
15radic
2π2a3
32 U6 =
91π2a3
162
V 17 stoletju so se zanimali tudi za težišča homogenih likov in teles
Lik ki ga omejuje krivulja Hm ima težišče na abscisni osi oddaljen za xT
od osi y Da bi lahko poiskali xT moramo najprej izračunati za ta lik
moment
Mm = 2inta
0xy dx = 2int
0
infinx(t)y(t)xdt = 2a3mint
infin
0
tm
(1+ tm)4 dt
Izrazimo z integrali Ik in dobimo
Mm = 2a3m(I3 minus I4) =πa3(mminus1)(2mminus1)
3m3 sin πm
Abscisa težišča lika je potem kvocient momenta Mm in ploščine Sm
xT =(2mminus1)a
3m
64
Slika 39 Telo nastalo z zasukom lika med krivuljo C2 in njeno asimptoto
okoli osi y
Lik omejen s krivuljo Cm ima težišče na abscisni osi oddaljen za xC
od osi y Da bi poiskali xC uporabimo kar PaposndashGuldinovo pravilo za
prostornino vrtenine
2πxC sdotQm = Um
kjer je Qm ploščina lika ki ga rotiramo okoli osi y Rezultat je proti vsem
pričakovanjem zelo preprost
xC =(2m+1)a
3m
Poznoantični matematik Papos iz Aleksandrije (290ndash350) v grščini Πάπ-
πος ὁ Αλεξανδρεύς v latinščini Pappus je pomemben ker je zbral prak-
tično vse dotakratno matematično znanje Grkov in dodal še marsikaj svo-
65
jega Njegovo najpomembnejše delo je rdquoZbirkardquo v grščini Συναγωγή Uk-
varjal se je tudi s klasičnimi grškimi geometrijskimi problemi
Jezuit Paul Guldin (1577ndash1643) je bil švicarski matematik in astronom
profesor matematike na Dunaju in v Gradcu Pred tem je študiral v Rimu
Skupaj s Paposom je znan
po pravilih za izračun prostornine rotacijskega telesa in površine rotacij-
ske ploskve
Slika 40 Telo nastalo z zasukom lika ki ga omejuje H4 okoli osi y
ProstorninaXm vrtenine ki nastane z rotacijo lika omejenega s krivuljo
Hm okoli osi y je po PaposndashGuldinovem pravilu za prostornino enaka
Xm = 2πxT sdot Pm = 2π(2mminus1)a
3msdota2(mminus1)πm2 sin π
m=
2π2a3(2mminus1)(mminus1)3m3 sin π
m
Slika 40 kaže vrtenino za primer krivulje H4 Podobne slike bi dobili tudi
za druge Hm
Če isti lik rotiramo okoli premice x = a tangente na krivuljo Hm v
točki D dobimo vrtenino s prostornino Ym ki jo izračunamo prav tako
66
po PaposndashGuldinovem pravilu za prostornino in dobimo
Ym = 2π(aminusxT ) sdot Pm = 2π(m+1)a
3msdota2(mminus1)πm2 sin π
m=
2π2a3(m2 minus1)3m3 sin π
m
Opazimo da je prostornina Ym enaka prostornini Um telesa ki nastane
z rotacijo lika med krivuljo Cm in njeno asimptoto okoli te asimptote
Dokler ni bil razvit infinitezimalni račun kakršnega poznamo danes
so računali ploščine težišča prostornine in površine za vsak primer pose-
bej Veliko so se v 17 stoletju pa tudi že prej znani matematiki ukvarjali
s cikloido na primer N Kuzanski M Mersenne G Galilei G P de Rober-
val C Wren G Cardano B Pascal I Newton G W Leibniz C Huygens
je neko njeno lastnost uporabil pri izdelavi ure na nihalo
Evdoksova kampila
Oglejmo si naslednjo konstrukcijo točk krivulje V točki D(a0) pri čemer
je a gt 0 postavimo pravokotnico p na abscisno os Na p izberemo točko
A ki jo bomo kasneje premikali po tej premici Skozi O in A načrtamo
premico q in skozi A krožnico s središčem v koordinatnem izhodišču O
Krožnica preseka abscisno os v točkah B in Bprime ki sta simetrični glede na
točko O V B in Bprime konstruiramo pravokotnici r in rprime na os x ki presekata
p v točkah T in T prime ki sta tudi simetrični glede na točko O Ko teče točka
A po premici p opišeta T in T prime dvodelno krivuljo ki so jo poimenovali
rdquoEvdoksova kampilardquo Točka T opiše njeno desno vejo T prime pa levo Krivulja
je očitno simetrična glede na obe koordinatni osi (slika 41)
Enačbo desne veje dobljene Evdoksove kampile je najlaže najprej izraz-
iti v polarnih koordinatah nato pa še v implicitni obliki v pravokotnih
67
Slika 41 Konstrukcija točk Evdoksove kampile
kartezičnih koordinatah Za polarni kot ϕ vzamemo naklonski kot pre-
mice q za polarni radij pa razdaljo ∣OT ∣ (slika 41) Najprej očitno veljata
zvezi ∣OA∣ = ∣OD ∣cosϕ = acosϕ in = ∣OT ∣ = ∣OB∣cosϕ = ∣OA∣cosϕ iz
katerih dobimo = acos2ϕ tako da je nazadnje pri pogoju minusπ2 ltϕ ltπ2
polarna enačba desne veje Evdoksove kampile
(ϕ) =a
cos2ϕ (10)
Obe veji krivulje imata implicitno obliko
a2(x2 +y2) = x4 (11)
ki jo dobimo iz polarne oblike z upoštevanjem zvez 2 = x2 + y2 in cosϕ =
x Krivulja v obliki (11) ima izolirano točko O(00) ki je posledica del-
jenja z ki je lahko tudi enak 0 Evdoksova kampila je algebrska krivulja
četrte stopnje
Z Evdoksovo kampilo se da podvojiti kocko Načrtamo krožnico s
središčem v točkiD in polmerom a Njena enačba je x2+y2 = 2ax Vstavimo
68
Slika 42 Podvojitev kocke z Evdoksovo kampilo
2ax namesto x2 + y2 v (11) in dobimo enačbo x4 minus2a3x = x(x3 minus2a3) = 0 ki
ima realni rešitvi x0 = 0 in x1 = a 3radic
2 V prvem kvadrantu se krožnica in
Evdoksova kampila sekata v točki T (a 3radic
2aradic
2 3radic
2minus 3radic
4) kar pomeni da
ima točka T absciso
∣T0T ∣ = b = a 3radic2
Kocka z robom b ima prostornino b3 = 2a3 torej dvakratnik prostornine
kocke z robom a
Grška beseda καμπύλος pomeni rdquokriv zavit upognjenrdquo v ženski ob-
liki καμπύλη beseda γραμμή pa rdquočrta potezardquo Polno ime krivulje je v
grščini καμπύλη γραμμή torej rdquokriva črtardquo na kratko so jo poimenovali kar
rdquokampilardquo kateri so dodali še Evdoksovo ime Evdoks iz Knida (408ndash355
pnš) Εὔδοξος ὁ Κνίδιος je bil starogrški matematik in astronom Bil je
Arhitov učenec v Tarentu grško Τάρας in Platonov na Akademiji v Ate-
nah Obiskal je tudi Sicilijo in Egipt Kasneje je ustanovil svojo šolo v
Kiziku grško Κύζικος ob Mramornem morju ali Propontidi grško Προ-
ποντίς Pomemben je njegov doprinos v teoriji razmerij in nesoizmerljivih
količin kar je uporabil Evklid Εὐκλείδης v svojih Elementih Στοιχεῖα
69
Grška beseda εὔδοξος pomeni med drugim rdquosloveč slaven ugledenrdquo
V astronomiji je Evdoks zagovarjal geocentrični svetovni sistem in za
pojasnitev gibanja planetov in Lune uvedel sistem koncentričnih sfer ki
se vrtijo ena v drugi S tem v zvezi je uvedel še eno krivuljo ki jo poznamo
pod imenom rdquoEvdoksova hipopedardquo
Problem podvojitve kocke je na svojevrsten način s torusom valjem
in stožcem rešil pitagorejec in vojaški poveljnik Arhitas iz Tarenta v južni
Italiji grško Αρχύτας ὁ Ταραντίνος rojen med letoma 435 in 410 umrl
pa med letoma 360 in 350 pnš Morda je Evdoks Arhitovo prostorsko
rešitev problema podvojitve kocke poenostavil na reševanje v ravnini in
tako prišel do svoje kampile Dokazano to ni nikjer ve se le da mu je
rešitev uspelo najti z neko krivuljo Način reševanja pa je podoben reše-
vanju z Uhlhornovo toksoido ki ima tudi podobno enačbo v polarni obliki
(ϕ) = acos3ϕ
Tako Uhlhornova toksoida kot Evdoksova kampila spadata v skupino
Clairautovih krivulj = acosnϕ ali = asinnϕ Če je n racionalno število
je Clairautova krivulja algebrska Alexis Claude Clairaut (1713ndash1765) je
bil francoski matematik in astronom
Evdoksovo kampilo brez izolirane toke O parametriziramo kar s po-
larnim kotom
x(ϕ) =a
cosϕ y(ϕ) =
asinϕcos2ϕ
Njena ukrivljenost κ(ϕ) se izraža v obliki
κ(ϕ) =cos3ϕ(3sin2ϕ minus1)
a(3sin2ϕ +1)32
Ukrivljenost spremeni predznak pri kotu ϕ za katerega je 3sin2ϕ minus1 = 0
V takih točkah ima krivulja prevoje Evdoksova kampila ima štiri in sicer
70
Slika 43 Desna veja Evdoksove kampile prevoja in pritisnjena krožnica
v točkah (plusmnaradic
62plusmnaradic
32) Strmini tangent v teh točkah sta plusmn2radic
2 Os x
presekata za desno vejo v točki G(3aradic
680) Krivinski polmer v točkah
D inDprime je enak a Središče pritisnjene krožnice v točkiD je v točki S(2a0)
Približno ujemanje krivulje tangent v prevojih Pplusmn in pritisnjene krožnice v
temenu D kaže slika 43 Ujemanje bi lahko izkoristili za približno podvo-
jitev kocke Če namesto Evdoksove kampile vzamemo kar njeno tangento
y = 2radic
2(xminusaradic
62)+aradic
32
v prevoju v prvem kvadrantu in poiščemo absciso ξ presečišča s krožnico
x2 +y2 = 2ax dobimo
ξa=
118
radic
24radic
6minus23+
radic6
3+
19≐ 1259956951
namesto točnejše vrednosti
3radic
2a
≐ 1259921049
71
Če bi podoben račun naredili za Uhlhornovo toksoido ki se v prevojih
tudi približno ujema s tangentama bi dobili slabši rezultat
Zgoraj opisani približek lahko izkoristimo za precej natančno evklid-
sko konstrukcijo roba b podvojene kocke z robom a V koordinatnem sis-
temu Oxy narišemo krožnico s polmerom a s središčem v točki D(a0)
skozi O pa konstruiramo premico p z naklonskim koeficientom k = 2radic
2
Na abscisni osi konstruiramo točkoG(3aradic
680) in skoznjo premico q vz-
poredno s p Presečišče te premice s krožnico je točka T njena pravokotna
projekcija na os y pa točka T0 Razdalja b = ∣T0T ∣ je dober približek za
a 3radic
2 (slika 44) Pri tem izkoristimo izraza za diagonalo kvadrata in višino
enakostraničnega trikotnika v katerih nastopataradic
2 inradic
3 s kombinacijo
obeh pa šeradic
6 Podrobnosti so izpuščene z malo truda lahko konstrukcije
izvede vsak sam
Slika 44 Približna podvojitev kocke
Zrcalno sliko Evdoksove kampile (11) na krožnici x2 + y2 = a2 takoj
dobimo iz polarne oblike njene desne veje lowast(ϕ) = acos2ϕ Z zapisom v
pravokotnih kartezičnih koordinatah dobimo implicitno obliko za celotno
prezrcaljeno krivuljo
(x2 +y2)3 = a2x4
72
Krivulja je algebrska šeste stopnje Simetrična je glede na obe koordinatni
osi Njeni največji odkloni od osi x so pri polarnih kotih ϕ za katere je
3sin2ϕ = 1 to je v točkah (plusmn2aradic
69plusmn2aradic
39) kjer ima krivulja vodo-
ravni dvojni tangenti
Slika 45 Zrcaljenje Evdoksove kampile na krožnici
Nova krivulja spada med Clairautove Ploščina P obeh delov jajčastih
oblik je
P = 4 sdota2
2 intπ2
0cos4ϕdϕ = 2a2 sdot
34
sdotπ2=
3πa2
8
Problem podvojitve kocke grško διπλασιασμός τοῦ κύβου ali deloški
problem poimenovan po grškem otoku Delosu v Egejskem morju je reše-
valo več grških geometrov ki so celo skušali izdelati v ta namen posebno
orodje Platon je pograjal Evdoksove Arhitove in Menajhmove učence
češ da njihovi napori kvarijo kar je dobrega v geometriji Nastal je celo
epigram (puščica zbadljivka) v zvezi s podvojitvijo kocke ki je zapisan v
Evtokijevih komentarjih k Arhimedovi razpravi rdquoO krogli in valjurdquo grško
Περὶ σφαίρας καὶ κυλίνδρου Matematik in neoplatonist Evtokij iz Aškalona
v Palestini Εὐτόκιος ὁ Ασκαλονίτης je bil poznoantični matematik rojen
73
okoli leta 480 umrl pa je okoli leta 520 O njem se ve bore malo Nekaj
časa je deloval v Atenah nazadnje pa v Aleksandriji Napisal je tudi ko-
mentarje k Apolonijevi razpravi rdquoStožnicerdquo v grščini Κωνικά Na stožnice
se je v srednjem kar nekoliko pozabilo zanimanje zanje je spet oživelo
šele v času Keplerja in Newtona ko je bil potreben opis gibanja planetov
v heliocentričnem svetovnem sistemu
Navedimo omenjeni epigram v grščini in v prevodu S Weiss (vzeto iz
obsežnega knjižnega dela v treh delih [3])
Μηδὲ σύ γrsquo Αρχύτεω δυσμήχανα ἔργα κυλίνδρων
μηδὲ Μεναιχμείους κωνοτομεῖν τριάδας
διζήσηι μηδrsquo εἴ τι θεουδέος Εὐδόξοιο
καμπύλον ἐν γραμμαῖς εἶδος ἀναγράφεται
Težkih Arhitovih del s cilindri nikar ne posnemaj
stožnic Menajhmovih treh nikdar izsekal ne boš
niti ne boš spoznal če božanskega črte Evdoksa
res zarišejo lik tak iz zavitih kampil
Videli smo kaj vse se da povedati o neki krivulji če obvladamo in-
finitezimalni račun Seveda nam je to sedaj ko imamo na voljo najnovejše
pripomočke in obsežno ter dostopno matematično literaturo veliko laže
kot je bilo matematikom v 17 stoletju ko so v marsičem še orali ledino
Pomembni znanstveniki rojeni v 17 stoletju
Navedimo nekaj pomembnih znanstvenikov predvsem matematikov fizi-
kov in astronomov ki so se rodili v 17 stoletju Razvrščeni so po letnicah
74
rojstva Veliko podatkov dobimo v [1 5] in na svetovnem spletu
Gilles Personne de Roberval (1602ndash1675)
Pierre de Fermat (1607ndash1665)
Giovanni Alfonso Borelli (1608ndash1679)
Evangelista Torricelli (1608ndash1647)
John Pell (1610ndash1685)
Johann Hevel (1611ndash1687)
Frans van Schooten (1615ndash1660)
Carlo Renaldini (1615ndash1698)
John Wallis (1616ndash1703)
Henry Oldenburg (1618ndash1677)
Michelangelo Ricci (1619ndash1682)
William Brouncker (1620ndash1684)
Edmeacute Mariotte (1620ndash1684)
Jean Picard (1620ndash1682)
Vincenzo Viviani (1622ndash1703)
Reneacute-Franccedilois de Sluse (1622-1685)
Blaise Pascal (1623ndash1662)
Giovanni Domenico Cassini (1625ndash1712)
Robert Boyle (1627ndash1691)
Christiaan Huygens (1629ndash1695)
Isaac Barrow (1630ndash1677)
Ehrenfried Walther von Tschirnhaus (1631ndash1708)
Christopher Wren (1632ndash1723)
Johann Hudde (1633ndash1704)
Robert Hooke (1635ndash1703)
75
William Neile (1637ndash1670)
James Gregory (1638ndash1675)
Philippe de la Hire (1640ndash1719)
Isaac Newton (1643ndash1727)
Olaus Roslashmer (1644ndash1710)
Gottfried Wilhelm Leibniz (1646ndash1716)
Denis Papin (1647ndash1712)
Michel Rolle (1652ndash1719)
Pierre Varignon (1654ndash1722)
Jacob Bernoulli (1655ndash1705)
Edmund Halley (1656ndash1742)
Guillaume Franccedilois Antoine LrsquoHocircpital (1661ndash1704)
David Gregory (1661ndash1708)
Abraham de Moivre (1667ndash1754)
Johann Bernoulli (1667ndash1748)
Jacopo Francesco Riccati (1676ndash1754)
Giulio Carlo Fagnano (1682ndash1766)
Roger Cotes (1682ndash1716)
Reneacute Antoine Reacuteaumur (1683ndash1757)
Greacutegoire de Saint-Vincent (1584ndash1667)
Brook Taylor (1685ndash1731)
Gabriel Daniel Fahrenheit (1686ndash1736)
Colin Maclaurin (1698ndash1746)
Pierre Louis Moreau de Mapertuis (1698ndash1759)
76
Viri
[1] I Asimov Biografska enciklopedija znanosti in tehnike Tehniška za-
ložba Slovenije Ljubljana 1978
[2] J Bair V Henry Sluse ses perles et son algorithme Losanges 14
(2011) str 14ndash18 httphdlhandlenet2268100155 (videno 10
7 2021)
[3] G Kocijančič (urednik) Fragmenti predsokratikov Študentska za-
ložba Ljubljana 2012
[4] G Loria Spezielle algebraische und transscendente ebene Kurven
Teubner Leipzig 1902
[5] U C Merzbach C B Boyer A History of Mathematics John Wiley amp
Sons Hoboken New Jersey 2011
[6] J J OrsquoConnor E F Robertson Reneacute Franccedilois Walter de Sluze MacTu-
tor
httpsmathshistoryst-andrewsacukBiographiesSluze
(videno 10 7 2021)
[7] B von Pape Von Eudoxus zu Uhlhorn Books on Demand Norderstedt
2019
[8] M Razpet Pomnožitev hiperkocke Obzornik mat fiz 68 (2021) št 1
str 1-9
[9] M Razpet in N Razpet Prepogibanje papirja podvojitev kocke in
Slusova konhoida Obzornik mat fiz 67 (2020) št 2 str 41-51
77
[10] Y Renotte Reneacute de Sluze dialogues avec Christiaan Huygens
Bulletin de lrsquouniversiteacute du 3e acircge - Liegravege 23 (2021) 4 strani
httphdlhandlenet22682596400 (videno 10 7 2021)
[11] R F Slusius Mesolabum seu duaelig mediaelig proportionales inter ex-
tremas datas per circulum et ellipsim vel hyperbolam infinitis modis
exhibitaelig Leodii Eburonum Liegravege 1659
[12] R F Slusius Mesolabum seu duaelig mediaelig proportionales inter ex-
tremas datas per circulum et per infinitas hyperbolas vel ellipses et
per quamlibet exhibitaelig ac problematum omnium solidorum effectio
per easdem curvas Leodii Eburonum Liegravege 1668
[13] D Uhlhorn Entdeckungen in der houmlhern Geometrie theoretisch und
practisch abgehandelt Schulzersquosche Buchhandlung Oldenburg 1809
[14] I Vidav Algebra Mladinska knjiga Ljubljana 1972
Avtor se zahvaljuje prof dr Milanu Hladniku za strokovni pregled
copy(2021) Marko Razpet
78
Seznam slik
1 Reneacute-Franccedilois Walter de Sluse 6
2 Viseacute na zemljevidu iz sredine 19 stoletja 7
3 Mesolabum druga izdaja 1668 10
4 Osnovni elementi Eratostenovega mesolabuma 14
5 Premik pravokotnikov Eratostenovega mesolabuma 15
6 Končna lega pravokotnikov Eratostenovega mesolabuma 16
7 Do srednjih geometrijskih sorazmernic s parabolama 17
8 Do srednjih geometrijskih sorazmernic s parabolo in krožnico 18
9 Slusova konhoida 19
10 Primeri de Slusovih perl 23
11 Zasuk de Slusove perle za m = 2n = 3p = 1k = 001 okoli osi x 24
12 Konstrukcija točke T de Slusove perle K 25
13 De Slusova perla K 26
14 Lokalna ekstrema na de Slusovi perli K 28
15 De Slusova perla K in spremljajoča parabola 29
16 De Slusova perla K in ogrinjače Ks Kq Kr 30
17 Nožiščna krivulja Kprime krivulje K glede na koordinatno izhodišče 34
18 Krivulja C je cisoida krivulj K1 in K2 glede na točko O 37
19 De Slusova perla K kot cisoidna krivulja 38
20 Neilova ali polkubična parabola 39
21 Leibnizeva izohrona 40
22 Ploščini likov omejenih z zankama krivulj K in Kprime 44
23 Dotikalni elementi krivulje 44
24 Tangenta in normala na krivuljo K 46
25 Inverzna slika Klowast krivulje K 47
26 Krivulja Klowast in približka v okolici točk O in D 48
27 Inverzna slika Kprimelowast krivulje Kprime 49
3
28 Pritisnjeni krožnici na krivuljo K v točki O 50
29 Toksoida 51
30 Konstrukcija točk toksoide 52
31 Konstrukcija srednjih geometrijskih sorazmernic s toksoido 53
32 Prevoja toksoide T in pritisnjena krožnica v točki D 54
33 Inverzna slika T lowast toksoide T 55
34 Nekaj krivulj Hm 58
35 Krivulja H4 in pomnožitev roba trirazsežne kocke 59
36 Nekaj krivulj Cm 60
37 Krivulja C4 in pomnožitev roba 5-razsežne hiperkocke 61
38 Telo nastalo z zasukom lika med krivuljo C2 in njeno asimptoto
okoli te asimptote 63
39 Telo nastalo z zasukom lika med krivuljo C2 in njeno asimptoto
okoli osi y 65
40 Telo nastalo z zasukom lika ki ga omejuje H4 okoli osi y 66
41 Konstrukcija točk Evdoksove kampile 68
42 Podvojitev kocke z Evdoksovo kampilo 69
43 Desna veja Evdoksove kampile prevoja in pritisnjena krožnica 71
44 Približna podvojitev kocke 72
45 Zrcaljenje Evdoksove kampile na krožnici 73
4
Predgovor
V prispevku bomo spoznali življenje in delo valonskega matematika in
kanonika de Slusa ki je po svoje zaznamoval buren razvoj matematike 17
stoletja V njegovem času je velik napredek doživel infinitezimalni račun
in uvedli so ustrezne matematične oznake ki jih uporabljamo še danes
Družbeni in ekonomski razvoj uveljavljanje heliocentričnega svetovne-
ga sistema geografska odkritja in z njimi povezana orientacija na morju
potrebe po točnem merjenju časa velika uporaba orodij in strojev razvoj
gradbeništva in geodezije in drugo so terjali čedalje bolj natančno in hitro
računanje Naraščalo je zanimanje za geometrijo astronomijo reševanje
enačb reševanje fizikalnih problemov in uporabo logaritmov Nastajala
so nova matematična področja na primer teorija verjetnosti infinitezi-
malni račun in variacijski račun Znanstveniki so si med seboj dopisovali
se obiskovali in tako širili nove ideje in teorije Nastajale so znanstvene
akademije kot protiutež univerzam kjer je še vedno prevladovala sholasti-
čna misel Ustanavljale so se znanstvene revije ki so zagotavljale večji
pregled nad avtorstvom novih odkritij in zamisli
Kdo je bil Reneacute-Franccedilois de Sluse
Čeprav je o de Slusu napisanega precej pa ni toliko znan znanstvenik kot
bi moral biti Veliko izvemo o njem na primer v [2 5 6 10] od kjer so
vzeti podatki ki sledijo v nadaljevanju
Reneacute-Franccedilois Walter de Sluse (včasih tudi Reneacute de Sluze latinsko Re-
natus Franciscus Slusius ali preprosteje kar Reneacute Sluse izgovarjamo pa
njegov priimek kot rdquosluumlzrdquo) se je rodil 2 julija 1622 v Viseacuteju ob reki Meuse
5
sedaj v valonskem delu Belgije v provinci Liegravege blizu meje med Belgijo
in Nizozemsko v bogati in omikani družini Njegova domovina je takrat
spadala pod Špansko Nizozemsko V tistih krajih so zemljepisna imena
v tamkajšnjih jezikih različna na primer de Slusov rojstno mesto ki je v
francoščini Viseacute je v nizozemščini Wezet v nemščini Wezen in v latinščini
Villa Viesato Prav tako glavno mesto province Liegravege oziroma do 1949
Lieacutege v francoščini Luik v nizozemščini Luumlttich v nemščini in Leodium
v latinščini Prav tako reka ob kateri ležita ti dve mesti Meuse v fran-
coščini Maas v nizozemščini in nemščini ter Mosa v latinščini
Slika 1 Reneacute-Franccedilois Walter de Sluse
Po študiju prava na Katoliški univerzi v Leuvenu med letoma 1638
in 1642 (francosko Louvain nemško Loumlwen) je odšel v Rim kjer je ostal
nekaj let in si že leta 1643 prislužil naziv doktorja prava na rimski univerzi
6
La Sapienza nato pa je imel priložnost študirati v Italiji teologijo filo-
zofijo zgodovino matematiko fiziko astronomijo in jezike (baje je znal
tudi grško hebrejsko arabsko in sirsko)
Slika 2 Viseacute na zemljevidu iz sredine 19 stoletja
Katoliška univerza v Leuvenu je najstarejša univerza na ozemlju današ-
njega Beneluksa ustanovljena leta 1425 Univerza La Sapienza (rdquosapienzardquo
pomeni v italijanščini znanje) je bila ustanovljena kot papeška univerza
leta 1303 v zadnjem letu vladanja papeža Bonifacija VIII Ime je dobila
po stavbi v katero se je naselila Po doktoratu je de Sluse nekaj časa služil
papežema Inocencu X in Aleksandru VII kot tajnik Zadolžen je bil za to
da je papeške uradne dokumente na primer papeške bule obrazložil lju-
dem na razumljiv način Papežu Inocencu X je z znanjem jezikov pogosto
prevajal pisma ki so bila namenjena škofom na Grškem in v Armeniji
V Rimu se je de Sluse srečal s priznanimi takratnimi znanstveniki med
katerimi sta bila tudi B Cavalieri ki je s svojim delom nekako napovedal
integralski račun in E Torricelli
Leta 1650 je bil imenovan za kanonika kolegijske cerkve v Viseacuteju čeprav
je bilo to imenovanje le nominalno da bi mu zagotovilo dohodke Ni se
mu bilo treba takoj vrniti v Viseacute ampak je ostal še malo v Rimu ki ga je
7
zapustil naslednje leto ko ga je papež Inocenc X imenoval za kanonika v
katedrali sv Lamberta v Liegravegeu Zaradi svojega znanja prava je v Cerkvi
hitro napredoval in kmalu se je povzpel na vplivne položaje Leta 1659
je postal član zasebnega sveta katedrale v Liegravegeu leta 1666 pa kot cis-
tercijanski duhovnik opat opatije La Paix Dieu v Amayu (valonsko Ama)
jugozahodno od Liegravegea Bil je tudi zasebni svetovalec koumllnskega nadškofa
in volilnega kneza Svetega rimskega cesarstva tudi škofa v Liegravegeu Mak-
similijana Henrika Bavarskega (1621ndash1688) Umrl je 19 marca 1685 v
Liegravegeu
Reneacutejev brat Johannes Walter (1628ndash1687) se je v cerkveni hierarhiji
leta 1686 povzpel vse do kardinala Rojen je bil prav tako v Viseacuteju umrl pa
je v Rimu kjer je tudi pokopan in sicer v cerkvi Santa Maria dellrsquoAnima
Beseda rdquohierarhijardquo je grškega izvora Njen prvi del izhaja iz besede
ἱερός kar pomeni rdquosvet posvečen božjirdquo drugi del pa iz besede ἀρχός kar
pomeni rdquoprvak gospodar vladarrdquo
Omenjena kolegijska cerkev je naziv za tiste cerkve v katerih je Sveti
sedež ustanovil kapitelj ali kolegij klerikov (duhovnikov) imenovanih ka-
noniki Namen te ustanove je bil narediti bolj slovesno bogoslužje v cerk-
vah izbranega določenega pomena Ustanovitev posodobitev ali ukinitev
kolegijskih cerkva je bil v pristojnosti Svetega sedeža
Kanonik je v katoliški cerkvi dostojanstvenik član stolnega kapitlja
škofov svetovalec izvedenec za cerkveno pravo Sama beseda kanonik
izhaja iz grške κανών kar pomeni rdquovzorec predpis pravilo vodilordquo
Zaradi zahtevnih cerkvenih dolžnosti de Sluse ni imel več priložnosti
potovati toliko kot bi si želel Da bi zadovoljil svojo veliko intelektu-
alno radovednost si je stalno dopisoval z nekaterimi velikimi evropskimi
učenjaki B Pascalom C Huygensom P Fermatom R Boylom J Gre-
8
goryjem M Riccijem J Wallisom in H Oldenburgom Tako je lahko
izražal svoje ideje je pa zaradi drugega dela malo objavljal H Olden-
burg je bil tista leta tajnik Kraljevega društva v Londonu katerega član
je de Sluse postal leta 1674 Oldenburg je de Slusove zamisli posredoval
neposredno angleškim učenjakom in drugim članom kot je bilo takrat v
navadi Do njih je prišlo skoraj 80 pisem izmenjanih med letoma 1667
in 1676 De Slusovo korespondenco je leta 1884 objavil matematik C Le
Paige iz Liegravegea S tem je de Slusovo znanstveno delo postalo širše znano
De Sluse je umrl 19 marca 1685 v Liegravegu ravno tistega leta ko se je začel
spor med Newtonom in Leibnizem glede tega kdo je avtor infinitezimal-
nega računa Pokopali so ga v kolegijski cerkvi v Viseacuteju v bližini njegovih
staršev Družinski mavzolej je obstajal do 14 avgusta 1914 ko je nemška
vojska požgala kolegijsko cerkev sv Martina in sv Hadelina V kolegijski
cerkvi v Viseacuteju je ob levem stranskem oltarju spominska plošča ki govori
o slavnem prebivalcu Viseacuteja iz 17 stoletja kanoniku Reneacuteju-Franccediloisu
de Slusu Mesti Viseacute in Liegravege sta mu posvetili ulici Rue de Sluse mesto
Bassenge zahodno od Viseacuteja pa pot Chemin de Sluse
Matematične teme ki jih je obravnaval de Sluse so bile povezane z
znanstvenimi interesi tistega časa Po eni strani so bili geometrijski prob-
lemi ki segajo v čas Evklida in Arhimeda oživljeni v drugi polovici 16
in prvi polovici 17 stoletja Zlasti Cavalieri je razvil teorijo nedeljivih
količin ki je imela določen vpliv na razvoj matematične analize Po drugi
strani pa se je približno v istem času ko se je začela razvijati algebra po
zaslugi F Viegraveta ki je uvedel algebrski jezik in predvsem R Descartesa
in njegovega dela rdquoLa Geacuteomeacutetrierdquo zelo povečalo zanimanje za geometrijo
Združitev teh dveh tokov je de Slusa in številne druge matematike njego-
vega časa pripeljal do tega da so se začeli zanimati za geometrijske last-
9
Slika 3 Mesolabum druga izdaja 1668
nosti analitično definiranih krivulj predvsem algebrskih pa tudi spiral in
cikloid ki so bile takrat modne teme Pomembni problemi v tistih časih so
bili kako definirati in konstruirati tangento na krivuljo kako izračunati
ploščino lika ki ga ograjuje taka krivulja kako izračunati njeno dolžino
in kako izračunati prostornino in površino teles ki niso omejena samo z
ravninskimi ali sferičnimi liki G W Leibniz je pri de Slusu in Descartesu
našel marsikatero idejo pri razvoju infinitezimalnega računa in analitične
geometrije Ni čudno da je Huygens v nekem v pismu H Oldenburgu
dal o de Slusu naslednje mnenje rdquoSlusius eotilde geometrarum quos novi
omnium doctissimus candidissimusquerdquo rdquoSluse je od geometrov kar jih
poznam najbolj učen in jasenrdquo
10
Prav tako so bili v de Slusovem času še vedno aktualni problemi reše-
vanja algebrskih enačb tretje in četrte stopnje čeprav so to znali že itali-
janski matematiki S del Ferro N Tartaglia G Cardano in L Ferrari Še
vedno pa so bili živi antični problemi kvadrature kroga trisekcije kota in
podvojitve kocke s katerimi so se ubadali grški geometri Kot je znano gre
pri problemu podvojitve kocke za konstrukcijo kocke s prostornino ki je
dvakrat večja od prostornine dane kocke Problema se ne da rešiti z neoz-
načenim ravnilom in šestilom kot si je zamislil Platon pač pa s pomočjo
nekaterih algebrskih krivulj ali pa s posebnimi mehanskimi napravami
De Sluse je obravnaval geometrijsko reševanje algebrskih enačb tretje in
četrte stopnje z uporabo presečišč stožnic Descartes je pokazal da se
problem lahko rešuje z iskanjem presečišč parabole in krožnice de Sluse
pa je pokazal da lahko parabolo nadomestimo s katerokoli stožnico kar
se je izkazalo za veliko bolj prilagodljivo in elegantno kot Descartesova
metoda Svojo metodo je pod velikim vplivom Viegravetovih in drugih del
razvil v delu rdquoMesolabumrdquo (1659) še posebej v njegovi drugi izdaji (1668)
Celotna naslova izdaj nista popolnoma identična (glej [11 12]) Razvil je
tudi postopek za iskanje subtangente in s tem tangente katerekoli alge-
brske krivulje in to brez uporabe odvoda funkcije kakršnega poznamo
dandanes
Na sliki 3 opazimo v letnici izdaje de Slusovega Mesolabuma tudi malo
drugačen zapis rimskih številk za 500 in 1000 Navajeni smo ju pisati v
obliki D in M Namesto D so svoj čas pisali I in narobe obrnjen C torej
I C kar je skoraj D Za M pa CI C Število I Cje druga polovica od CI C
kar je v soglasju z dejstvom da je 500 polovica od 1000 Razlog za tako
pisavo sega v čas starih Grkov Etruščanov in Rimljanov Baje so nekoč
uporabljali za 1000 črko Φ iz katere se je razvila oznaka CI C iz te pa M
11
Eratostenov mesolabum
Beseda rdquomesolabumrdquo je zelo stara Izvira iz grške besede μεσολάβος (morda
tudi iz μεσολάβον) ki je v antiki pomenila posebno geometrijsko orodje
za določevanje prve in druge srednje geometrijske sorazmernice Beseda
izvira iz grške μέσος kar pomeni rdquosrednjirdquo in λαμβάνω kar pomeni rdquovza-
mem primem zgrabim pograbim popadem ulovimrdquo Glagolska os-
nova je λαβ- je tista iz katere izhajata nedoločnik λαβεῖν in aorist λάβον
Mesolabum je potemtakem tisto s čimer lovimo sredino lovilec sredin
Podobna beseda je rdquoastrolabrdquo starodavna astronomska naprava za določe-
vanje položaja zvezd v grščini ἀστρολάβον ὄργανον
V grških besedilih je glagol λαμβάνω eden od osnovnih in kot tak zelo
pomemben V taki ali drugačni obliki je zato zelo pogost Za primer
navedimo iz Odiseje (XXIV 397ndash399 prevod A Sovregrave )
ὣς ἄρ ἔφη Δολίος δv ἰθὺς κίε χεῖρε πετάσσας
ἀμφοτέρας ᾿Οδυσεῦς δὲ λαβὼν κύσε χεῖρv ἐπὶ καρπῷ
καί μιν φωνήσας ἔπεα πτερόεντα προσηύδα
To je dejal Približa se Dolios rok mu razpetih
prime gospoda v zapestju roko mu ginjen poljubi
z glasom obrne se k njemu pa reče krilate besede
V latinščini imenujejo mesolabum tudi rdquomesolabiumrdquo kar se čudno
sliši ker beseda rdquolabiumrdquo pomeni ustnica Iz besede rdquolabiumrdquo so izvedene
še druge V fonetiki imamo glasove ki jih sooblikujemo z ustnicami in se
zato imenujejo rdquolabialirdquo na primer rdquoprdquo in rdquobrdquo
12
Mesolabum je iznašel Eratosten iz Kirene (276ndash195 pnš) grško ᾿Ερα-
τοσθένης ὁ Κυρηναῖος ki je deloval v Aleksandriji kot vodja tamkajšnje
slavne knjižnice ki je bila del Muzejona hiše učenosti in umetnosti grško
Μουσεῖον τῆς Αλεξανδρείας in je najbolj znan po svojem situ za iskanje
praštevil in po izračunu velikosti Zemlje Pri mesolabumu gre za to kako
mehansko določiti prvo in drugo srednjo geometrijsko sorazmernico x in
y daljic a in b kjer je 0 lt a lt b Srednji geometrijski sorazmernici x in y
morata zadoščati relacijiax=xy=y
b (1)
Če označimo te tri kvociente z λ in jih med seboj zmnožimo dobimo
axsdotxysdoty
b=ab= λ3
To pomeni da je
λ = 3
radicab x =
3radica2b y =
3radicab2
Pri tem velja relacija a lt x lt y lt b ki je posledica relacije
a3 = a2a lt a2b = aab lt abb = ab2 lt bb2 = b3
iz katere sledi po kubičnem korenjenju a lt3radica2b lt
3radicab2 lt b Zato lahko
rečemo da sta x in y sredini daljic a in b saj sta med a in b
Za b = 2a je x = a 3radic
2 in y = a 3radic
4 To pomeni da se s tem posreči pod-
vojiti in početveriti kocko Kocka z robom x ima namreč dvakrat kocka z
robom y štirikrat večjo prostornino kot kocka z robom a in dvakrat večjo
kot kocka z robom x ker je x3 = 2a3 in y3 = 4a3 = 2x3 Prvi ki je prišel na
idejo poiskati srednji geometrijski sorazmernici x in y za a in b = 2a je bil
v 5 stoletju pnš živeči Hipokrat z otoka Hios v grščini ῾Ιπποκράτης ὁ
Χῖος Skušal je rešiti problema podvojitve kocke in kvadrature kroga
13
Eratosten je bil nad svojim izumom mesolabuma tako navdušen da je
en primerek baje daroval v nekemu templju sicer pa ga je posvetil kralju
Ptolemaju III (284ndash222 pnš) imenovanemu tudi Ptolemaj Dobrotnik
grško Πτολεμαῖος Εὐεργρέτης
Slika 4 Osnovni elementi Eratostenovega mesolabuma
Sedaj je čas da opišemo Eratostenov mesolabum Njegov je bil sicer
izdelan iz lesa slonove kosti in kovin mi pa si ga bomo ogledali she-
matično geometrijsko uporabljajoč pravokotnike trikotnike daljice pre-
mice točke razmerja in sorazmerja
V ravnini so postavljeni skladni pravokotniki A1B1C1D1 A2B2C2D2 in
A3B3C3D4 s stranicami A1B1 A2B2 in A3B3 na skupni premici na kateri
ostanejo ves čas v nadaljevanju opisanega postopka Vse stranice pra-
vokotnikov pravokotne na to premico imajo dolžino b Dolžina pre-
ostalih stranic ni pomembna Na stranici B3C3 izberemo točko T tako
da je ∣B3T ∣ = a Prvi pravokotnik je negiben preostala dva pa lahko dr-
sita po premici tako da se tretji lahko skrije pod drugega drugi pa pod
prvega S tem lahko gibljiva dva postavimo tako da dobimo daljice dolžin
14
x in y ki skupaj z a in b zadoščajo relaciji (1) Pravokotniki so razdeljeni z
med seboj vzporednimi diagonalami na pravokotne trikotnike (slika 4)
Slika 5 Premik pravokotnikov Eratostenovega mesolabuma
Ko premikamo drugi pravokotnik pod prvega njegova diagonala B2D2
prej ali slej seka stranico B1C1 negibnega pravokotnika denimo v točki
E Ko pa premikamo tretji pravokotnik pod drugega njegova diagonala
B3D3 prej ali slej seka stranico B2C2 drugega pravokotnika denimo v točki
F Cilj premikanja pravokotnikov sem in tja je doseči kolinearnost točk
D1EF in T Kot bomo kmalu videli takrat x = ∣B2F∣ in y = ∣B1E∣ ustrezata
relaciji (1)
Kolinearnost točk D1EF in T dosežemo s postopkom ki mu učeno
rečemo rdquoiteracijardquo Malo premaknemo drugi pravokotnik nato malo tret-
jega pa zopet drugega itd dokler s svojo spretnostjo ne dosežemo zado-
voljive natančnosti V natančni legi označimo u = ∣B1D1∣ v = ∣B2E∣ in
w = ∣B3F∣ Te daljice so med seboj vzporedne (slika 6) in zaradi podob-
nosti trikotnikov A1B1D1 B1B2E in B2B3F ter trikotnikov B1ED1 B2FE in
15
Slika 6 Končna lega pravokotnikov Eratostenovega mesolabuma
B3T F dobimo sorazmerja
bu=y
v=xwy
u=xv=aw
iz katerih sledijo relacije
xw = av xv = yw yv = ux bv = uy
Iz prve druge tretje in četrte dobimo po vrsti
ax=wvwv=xyxy=vuvu=y
b
Sedaj je nedvomno razvidno da je res
ax=xy=y
b
Tako lahko z Eratostenovo napravo najdemo prvo in drugo srednjo ge-
ometrijsko sorazmernico daljic a in b Podobno bi lahko našli tudi več
srednjih geometrijskih sorazmernic daljic a in b
16
So pa matematiki že davno odkrili da se da srednji geometrijski so-
razmernici najti tudi s parabolama Iz relacije (1) namreč sledita preprosti
zvezi
x2 = ay y2 = bx
V prvi spoznamo enačbo parabole ki ima za simetralo ordinatno os gorišče
v točki F(0a4) in vodnico y = minusa4 v drugi pa enačbo parabole ki ima za
simetralo absciso os gorišče v točki G(b40) in vodnico x = minusb4 (slika 7)
Slika 7 Do srednjih geometrijskih sorazmernic s parabolama
Paraboli se sekata v točkah O(00) in A(3radica2b
3radicab2) Konstrukcijo je
odkril Menajhmos grško Μέναιχμος ki je živel v 4 stoletju pnš Prvi je
vpeljal stožnice kot preseke stožca z ravnino Teorijo stožnic je temeljito
obdelal Apolonij iz Perge (265ndash170 pnš) grško Απολλώνιος ὁ Περγαῖος
Njegove knjige so matematiki uporabljali še vse do Newtonovih časov
Prav tako pridemo do srednjih geometrijskih sorazmernic če poiščemo
presečišči parabole x2 = ay z goriščem F(0a4) in vodnico y = minusa4 ter
krožnice x2 + y2 = bx + ay ki ima središče v točki S(b2a2) in premer
17
Slika 8 Do srednjih geometrijskih sorazmernic s parabolo in krožnico
d =radica2 +b2 Parabola in krožnica se sekata v točkah O in A(
3radica2b
3radicab2)
(slika 8) kar potrdi preprost račun Opisano konstrukcijo je obvladal Reneacute
Descartes Menajhmos in Descartes sta pokazala da se z njunima kon-
strukcijama da rešiti problem podvojitve kocke Za b je treba v opisanih
postopkih vzeti 2a Pripomnimo še da je bila starogrška matematika
pretežno matematika razmerij in sorazmerij in tako je bilo še celo vrsto
stoletij Srednjo geometrijsko sorazmernico x daljic dolžin a in b tako
da velja a ∶ x = x ∶ b iz česar sledi x =radicab se da konstruirati z neoz-
načenim ravnilom in šestilom Spomnimo se na višinski izrek v pravokot-
nem trikotniku ki je pravzaprav posledica podobnosti dveh trikotnikov
na katera višina na hipotenuzo razdeli pravokotni trikotnik
Pri dveh srednjih geometrijskih sorazmernicah x in y pa se kot smo
videli pojavi kubični koren ki pa z omenjenima geometrijskima orodjema
ni konstruktibilen To so matematiki dokazali šele v 19 stoletju Do takrat
so problem skušali rešiti na druge načine in pri tem odkrili nove krivulje
tako da njihov trud le ni bil popolnoma zaman Geometrijski objekt bo za
18
nas rdquokonstruktibilenrdquo če se ga da konstruirati z neoznačenim ravnilom in
šestilom
Drugo de Slusovo delo
De Sluse še vedno velja za izjemno učenega človeka nadarjenega za mate-
matiko izumiteljstvo in posploševanje Njegovo ime je še danes povezano
z njegovimi konhoidami in perlami De Slusova konhoida (slika 9) ki ima
implicitno obliko
(xminus c)(x2 +y2)minus2cx2 = 0
je precej natančno obravnavana v članku [9]
Slika 9 Slusova konhoida
Reneacute de Sluse se ni ukvarjal le z matematiko ampak tudi z astronomijo
fiziko naravoslovjem in seveda teologijo Pogosto se je pritoževal nad
omejitvami ki so mu jih nalagale njegove verske in upravne funkcije
Ni veliko eksperimentiral ker za to ni imel posebnega veselja pa tudi
ne tehničnih možnosti Je pa predlagal drugim zlasti Huygensu da naj
naredijo tak ali drugačen eksperiment Z zanimanjem je bral prepovedane
19
knjige N Kopernika G Galileja in J Keplerja ter kritiziral prizadevanja za
obnovitev starih konceptov Pisal je že o ekscentričnosti v zvezi s Soncem
Zdi se da je za svoje izračune uporabljal oba sistema heliocentričnega
in geocentričnega Rad je opazoval zvezdnato nebo Tako v kemiji kot
drugje se je znašel na razpotju Prebral je modne knjige o alkimiji in
celo ponovil poskus sublimacije antimona v belo barvo vendar je bila nje-
gova razlaga odločno korpuskularna saj je uporabljal Boylove zamisli o
strukturi tekočega in trdnega stanja V podporo temu je izvajal poskuse
zamrzovanja različnih raztopin in študiral sestavo lojevca V medicinski
kemiji se je zanimal za zdravilne vode in jih tudi analiziral
V fiziki sta ga je posebej zanimala merjenje temperature in praktična
termometrija Če ne upoštevamo odkritij E Torricellija in B Pascala o
vplivu atmosferskega tlaka na zračni termometer je de Sluse leta 1664
izumil svoj termometer z voščeno kroglico pomešano s peskom ki se je
gibala v stekleni cevi zaprti na dnu napolnjeni s slano vodo tako da je
bila kroglica bolj ali manj potopljena v sredini cevi kar je opisal v pismih
Huygensu Kroglica je označevala vsako spremembo v zraku iz toplejšega
na hladnejše ko se je spuščala ali dvigala Huygens je odgovoril da je
njegov termometer prepočasen vendar je zanesljivejši od drugih istovrst-
nih termometrov ker je manj podvržen vplivu atmosferskega tlaka Žal
ni poznal florentinskega termometra ko je svojim dopisnikom vključno s
Huygensom in Oldenburgom povedal o svojem izumu Florentinski ter-
mometri so pomenili odločilen korak naprej pri merjenju temperature
Bili so prvi ki so omogočali natančne meritve Pred iznajdbo v Firencah
okoli leta 1650 so bili stari modeli zelo približni določali so ali je pred
nami nekaj hladnega ali vročega ne da bi lahko odčitali ali ocenili tem-
peraturo Razlika je v tem da je steklena cev zaprta tako da je vpliv tlaka
20
odpravljen Uporabljali so se predvsem petdesetstopinjski termometri
Taki termometri so večinoma služili za določanje nihanja temperature zra-
ka v zaprtih prostorih in na prostem Oblikovanje termometra je takrat
pomenilo tudi določitev njegove merilne lestvice vendar še brez Celzijevih
ali Fahrenheitovih stopinj Pri tem so bile stopinje enakomerno razpore-
jene med dvema skrajnostma in sicer med nivojem najhladnejše tekočine
pozimi (nizka točka) in nivojem najbolj vroče tekočine poleti (visoka točka)
Zaradi teh zelo relativnih vrednosti je primerjava meritev med dvema ter-
mometroma nezanesljiva Ob upoštevanju pripomb jo je večkrat spreme-
nil in jo ponovno predložil Oldenburgu do leta 1669 ko je R Boyle izrazil
negativno mnenje glede topnosti voska kroglic v slani tekočini Po tem da-
tumu termometer ni bil nikoli več omenjen De Sluse je zboljšal različne
instrumente ure številčnice barometre Ker ga je motilo prerekanje med
raziskovalci glede avtorstva odkritij je po Oldenburgovi smrti leta 1677
končal svojo znanstveno dejavnost
Šele v 18 stoletju so razvijali temperaturne merilne lestvice C Re-
naldini (1694) O C Roslashmer (1702) G Fahrenheit (1717) Reneacute-Antoine
F de Reacuteaumur (1730) in A Celsius (1741) Enota kelvin (K ndash v čast lordu
Kelvinu 1824-1907) osnovna enota mednarodnega sistema enot za tem-
peraturo je bila uvedena šele leta 1954
De Sluse je bil tudi zgodovinar Napisal je knjigo o smrti sv Lam-
berta škofa v Tongresu ki je bil ubit na kraju kamor je sv Hubert njegov
naslednik prenesel sedež svoje škofije Kraj se je kasneje razvil v Liegravege
Druga zgodovinska študija se nanaša na slavnega maastrichtskega škofa
sv Servacija Med de Slusovimi neobjavljenimi rokopisi je tudi zgodovina
Koumllna Pripomnimo še da je sv Hubert zavetnik lovcev matematikov
optikov in kovinarjev
21
O širini de Sluzovih interesov priča raznolikost tem ki so zajete na
več sto straneh njegovega dela neobjavljenih rokopisov ki jih zdaj hrani
Narodna knjižnica Bibliotheque Nationale v Parizu Čeprav se je ukvarjal
predvsem z matematiko njegovi rokopisi obravnavajo tudi astronomijo
fiziko in naravoslovje
De Slusove perle
Po de Slusu so po zaslugi B Pascala (več o tem v [4]) imenovane tudi
krivulje rdquode Slusove perlerdquo to so krivulje ki se v pravokotnem kartezi-
čnem koordinatnem sistemu Oxy izražajo z enačbo
ym = kxn(aminusx)p (2)
Pri tem so eksponenti mn in p naravna števila a in k pa pozitivni kon-
stanti Glede na parnost eksponentovmn in p formalno razlikujemo osem
možnosti od katerih imamo opravka s perlami le v primeru ko je m sodo
število s pravimi perlami pa v primeru ko je m sodo število n in p pa lihi
števili (slika 10) Skupno tem krivuljam so simetričnost glede na os x in
presečišča s to osjo pri x = 0 in x = a De Sluse je po svoje brez uporabe
odvoda izračunal da njegove perle dosegajo lokalne ekstreme največji
odstop od osi x med 0 in a za x = na(n+p)
V teh primerih je ploščina S lika ki ga ograjuje zanka perle enaka
S = 2k1mint
a
0xnm(aminusx)pmdx = 2k1ma(m+n+p)mint
1
0tnm(1minus t)pmdt
Integracijsko spremenljivko x smo zamenjali z novo spremenljivko t prek
relacije x = at da smo dobili obliko ki jo lahko izrazimo z Eulerjevima
22
Slika 10 Primeri de Slusovih perl
funkcijama B in Γ
S = 2k1ma(m+n+p)mB(nm+1pm+1) =
= 2k1ma(m+n+p)mΓ(nm+1)Γ(pm+1)
Γ((n+p)m+2)=
= 2k1ma(m+n+p)mnp
(m+n+p)(n+p)
Γ(nm)Γ(pm)
Γ((n+p)m)
Pri rotaciji okoli osi x ta lik v prostoru opiše telo s prostornino
V =πk2mint
a
0x2nm(aminusx)2pmdx =πk2ma(m+2n+2p)m
int
1
0t2nm(1minust)2pmdt
23
Slika 11 Zasuk de Slusove perle za m = 2n = 3p = 1k = 001 okoli osi x
Integracijsko spremenljivko x smo tudi to pot zamenjali z novo spremenljivko
t prek relacije x = at da smo dobili obliko ki jo lahko izrazimo z Eulerje-
vima funkcijama B in Γ
V =πk2ma(m+2n+2p)mB(2nm+12pm+1) =
=πk2ma(m+2n+2p)mΓ(2nm+1)Γ(2pm+1)Γ((2n+2p)m+2)
=
= 2πk2ma(m+2n+2p)m np
(m+2n+2p)(n+p)Γ(2nm)Γ(2pm)
Γ((2n+2p)m)
Poseben primer de Slusove perle
Natančneje bomo obravnavali de Slusovo perlo samo primer za m = n = 2
p = 1 in k = 1a to se pravi krivuljo K ki ima implicitno enačbo ay2 =
x2(a minus x) To pa zato ker se posamezne točke te krivulje da preprosto
konstruirati z osnovnim geometrijskim orodjem
24
Geometrijska konstrukcija in analitična obravnava
Do posameznih točk T krivulje K pridemo s preprosto geometrijsko kon-
strukcijo (slika 12) V pravokotnem kartezičnem koordinatnem sistemu
Oxy načrtamo premico x = a kjer je a pozitivna konstanta Skozi koordi-
natno izhodišče O potegnemo premico p ki ima enačbo y = tx in preseka
premico x = a v točki A(ata) Parameter t smerni koeficient premice p s
katerim je sorazmerna ordinata točkeA bomo kasneje spreminjali V točki
A na p postavimo pravokotnico q ki seka os x v točki B V B načrtamo na
q pravokotnico r ki seka premico x = a v točki C nazadnje pa skozi C še
pravokotnico s na r Presečišče premic p in s naj bo točka T (xy) Sedaj
bomo izrazili njeni koordinati x in y s parametrom t
Slika 12 Konstrukcija točke T de Slusove perle K
Premica q ima enačbo y = minus(x minus a)t + at in preseka os x v točki B(a +
at20) Premica r ima enačbo y = t(x minus aminus at2) in preseka premico x = a v
točki C(aminusat3) premica s pa enačbo y = minus(xminus a)t minus at3 Koordinati točke
T sta rešitvi sistema enačb
y = tx y = minusxminusat
minusat3
25
Po krajšem računu dobimo
x(t) = a(1minus t2) y(t) = at(1minus t2) (3)
To sta parametrični enačbi krivulje K Ko spreminjamo t po vseh realnih
vrednostih oziroma ko A drsi po premici x = a točka T (xy) opiše krivuljo
K (slika 13) z zanko ki spominja na perlo
Če si mislimo da je parameter t čas enačbi (3) predstavljata sestav-
ljeno gibanje točkaste mase v dveh med seboj pravokotnih smereh v koor-
dinatni ravnini v smeri osi x po pravilu prve enačbe v smeri osi y pa po
pravilu druge enačbe Tirnica takega gibanja je krivulja K Podoben le da
bolj preprost primer imamo tudi pri gibanju točkaste mase pri poševnem
metu
Slika 13 De Slusova perla K
Ko se t spreminja od zelo velikih negativnih vrednosti potuje T po
loku v drugem kvadrantu navzdol in doseže za t = minus1 prvič točko O Za
minus1 le t le 0 opiše lok v četrtem kvadrantu odO do temenaD(a0) za 0 le t le 1
opiše lok v prvem kvadrantu od D do točke O ki jo doseže drugič za t = 1
za t gt 1 pa se spusti po loku v tretjem kvadrantu navzdol
26
Če upoštevamo (3) dobimo
x2(t)(aminusx(t)) = a2(1minus t2)2 sdotat2 = a(at(1minus t2))2 = ay2(t)
To pomeni da je ay2 = x2(aminusx) implicitna enačba krivulje K in da je K al-
gebrska krivulja tretje stopnje Krivulja K je simetrična glede na os x Za
točke ki so zelo blizu koordinatnemu izhodiščuO je člen x3 zanemarljivo
majhen v primerjavi s kvadratnima členoma zato je tam enačba krivulje
K približno ay2 = ax2 oziroma (y minusx)(y +x) = 0 Ta enačba razpade na dve
y = x in y = minusx V točki O ima krivulja tangenti y = x in y = minusx ki se sekata
pravokotno V točki D je tangenta na krivuljo premica x = a Krivulja ima
na zanki dve glede na os x simetrično ležeči lokalno ekstremni točki v ka-
terih je tangenta vzporedna z osjo x To sta točki Mplusmn(2a3plusmn2aradic
39) De
Sluse jih je na svojevrsten način pravilno izračunal čeprav je bilo v nje-
govem času računanje z odvodi še v zametkih Da bi pravilnost ekstrem-
nih točk preverili brez odvoda uporabimo kvadrat ekstremne ordinate ki
je y2M = 4a227 in zapišimo izraz
ay2M minusx2(aminusx) = 4a327minusax2 +x3 = (xminus2a3)2(x+a3)
ki je za 0 lt x lt a nenegativen in enak 0 za x = 2a3 To pomeni da je
tedaj x2(a minus x) le 4a327 in največja ordinata na zanki krivulje je 2aradic
39
najmanjša pa minus2aradic
39 oboje pri x = 2a3 (slika 14)
Z uporabo odvoda gre vse veliko hitreje Ordinata y doseže ekstrem
takrat kot ay2 Zato je vseeno če poiščemo ekstrem enostavnejše funkcije
g(x) = x2(a minus x) = ax2 minus x3 Potreben pogoj za to je g prime(x) = 2ax minus 3x2 = 0
Dobimo stacionarni točki x1 = 0 in x2 = 2a3 Uporabimo še g primeprime(x) = 2aminus6x
Ker je g primeprime(x1) = 2a gt 0 in g primeprime(x2) = minus2a lt 0 ima funkcija g v točki x1 lokalni
minimum ki je enak 0 v točki x2 pa lokalni maksimum ki je enak 4a327
27
Slika 14 Lokalna ekstrema na de Slusovi perli K
Ekstremna točka na zanki kjer je tangenta vzporedna z osjo x je očitno
le v x2 kvadrat ekstremne ordinate je tedaj g(x2)a = 4a227 = 12a281
Ekstremni ordinati sta torej plusmn2aradic
39 pri abscisi 2a3
Abscise 2a3 ni težko geometrijsko konstruirati prav tako tudi ne or-
dinate 2aradic
39 ki je 29 razdalje ∣PminusP+∣ = aradic
3 kjer sta Pminus in P+ presečišči
krožnih lokov s središčema v točkahO inD in polmerom ∣OD ∣ To pomeni
da sta točki Pminus in P+ konstruktibilni
Če bi načrtali celotna krajša krožna loka med Pminus in P+ bi dobili med
njima lečast lik ki so mu nekoč rekli rdquovesica piscisrdquo kar dobesedno pomeni
rdquoribji mehurrdquo Lik je bil zelo znan v srednjeveški sakralni umetnosti
Čeprav v de Slusovem času še niso poznali odvoda funkcije v današn-
jem smislu so že vedeli zahvaljujoč Fermatu da ima funkcija v točki
lokalnega ekstrema vodoravno tangento
28
Spremljajoča parabola
Nastajanje krivulje K spremljajo še nekatere druge bolj ali manj znane
krivulje Najprej si oglejmo kaj dobimo če točko O pravokotno projici-
ramo na premice r in spreminjamo parameter t Dobljena projekcija naj
bo R (slika 15)
V prispevku se pogosto sklicujemo na povezavo med smernima koe-
ficientoma premice in pravokotnice nanjo Koeficienta sta si inverzna in
nasprotna Zato zlahka napišemo enačbo premice r in pravokotnice skozi
O nanjo
y = t(xminusaminusat2) y = minusxt
Njuno presečišče R ima koordinati
x(t) = at2 y(t) = minusat
Z izločitvijo parametra t dobimo y2 = ax kar pomeni da točke R pri spre-
minjanju točkeA po premici x = a opišejo parabolo rdquospremljajočo parabolordquo
ki ima gorišče v točki F(a40) in vodnico v z enačbo x = minusa4
Slika 15 De Slusova perla K in spremljajoča parabola
29
Ogrinjače
Ko drsi točka A po premici x = a premice s ogrinjajo neko krivuljo Ks
Premice s so v točki T krivulje K pravokotne na premice skozi O in T
Njeno enačbo dobimo po standardnem postopku Enačba premic s je
F(xyt) = y +xminusat
+at3 = 0
To je enoparametrična družina premic ki ogrinjajo krivuljo Ks imeno-
vano rdquoogrinjačardquo te družine (slika 16) V vsaki točki ogrinjače se jo dotika
ena premica v različnih točkah različne premice družine Enačbo njihove
ogrinjače v implicitni obliki dobimo tako da iz sistema enačb
Slika 16 De Slusova perla K in ogrinjače Ks Kq Kr
F(xyt) = 0partFpartt
(xyt) = 0
izločimo parameter t Iz enačbe
partFpartt
(xyt) = minus(xminusa)t2 +3at2 = 0
30
dobimo najprej xminusa = 3at4 kar vstavimo v prvo enačbo v sistemu in imamo
y = minus4at3 Dobili smo ogrinjačo v parametrični obliki
x(t) = a(1+3t4) y(t) = minus4at3
Izločimo t in enačba iskane ogrinjače Ks v implicitni obliki je pred nami
27y4 = 256a(xminusa)3
Ker je y dobljene krivulje sorazmeren s potenco (x minus a)34 lahko rečemo
da je ogrinjača premic s četrtkubična parabola
Podobno poiščemo ogrinjačo Kq premic q
F(xyt) = yt +xminusaminusat2 = 0partFpartt
(xyt) = y minus2at = 0
Ogrinjača v parametrični obliki je to pot
x(t) = a(1minus t2) y(t) = 2at
Z izločitvijo parametra t dobimo njeno enačbo v implicitni obliki
y2 = minus4a(xminusa)
Dobljena krivulja Kq je parabola z vodnico x = 2a in goriščem v točki O
(slika 16)
Nazadnje po enakem postopku kot doslej poiščemo še ogrinjačo Kr
premic r
F(xyt) = y minus tx+at +at3 = 0partFpartt
(xyt) = minusx+a+3at2 = 0
Ogrinjača v parametrični obliki je potem
x(t) = a(1+3t2) y(t) = 2at3
31
Z izločitvijo parametra t dobimo njeno enačbo še v implicitni obliki
27ay2 = 4(xminusa)3
Dobljena krivulja Kr je polkubična ali Neilova parabola z ostjo v točki
D(a0) kjer ima vodoravno tangento (slika 16) Krivuljo Ks smo up-
ravičeno imenovali četrtkubična parabola Slednja ima v točki D(a0)
navpično tangento
Edinole premice p od tistih ki sodelujejo v konstrukciji točk krivulje
K nimajo ogrinjače Vse premice p namreč potekajo skozi koordinatno
izhodišče O in očitno ne ogrinjajo nobene krivulje
Nožiščne krivulje
Novo krivuljoHprime dobimo če na tangente dane krivuljeH pravokotno pro-
jiciramo izbrano točko Φ Vse projekcije P nožišča točke Φ na tangentah
krivuljeH sestavljajo krivuljoHprime ki jo imenujemo rdquonožiščnardquo ali rdquopedalna
krivuljardquo krivulje H glede na točko Φ
Beseda rdquopedalenrdquo izhaja iz latinske rdquopedalisrdquo kar pomeni rdquonoženrdquo Os-
novna beseda je rdquopesrdquo v rodilniku ednine rdquopedisrdquo kar pomeni rdquonogardquo Od
tod izvirajo tudi besede rdquopedalordquo rdquopedalarrdquo in rdquopedalinrdquo
Poiščimo nekaj nožiščnih krivulj glede na koordinatno izhodišče O
Najprej za krivuljo K ki je poseben primer de Slusove perle Za odvod
v točki T isinK ki ustreza parametru t dobimo
dy
dx(x) =
y
x(t) =
3t2 minus12t
Enačbi tangente v T in pravokotnice skozi O nanjo pa se glasita
y minusat(1minus t2) =3t2 minus1
2t(xminusa(1minus t2)) y =
2t1minus3t2
x
32
Sekata se v točki P s koordinatama
x(t) =a(t2 minus1)2(1minus3t2)
9t4 minus2t2 +1 y(t) =
2at(t2 minus1)2
9t4 minus2t2 +1 (4)
S tem smo našli parametrični enačbi krivulje Kprime (slika 17) Do implicitne
enačbe je dolga pot prek rezultante dveh polinomov spremenljivke t od
katerih je prvi druge drugi pa pete stopnje Najprej opazimo da je v (4)
yx = 2t(1minus 3t2) kar lahko zapišemo kot p(t) = 3yt2 + 2xt minus y = 0 drugo
enačbo pa zapišemo v obliki q(t) = 2at5 minus 9yt4 minus 4at3 + 2yt2 + 2at minus y = 0
Zaradi enostavnosti smo pisali x in y brez argumenta t Da izločimo pa-
rameter t je treba zapisati rdquorezultantordquo R(p(t)q(t)) polinomov p(t) in
q(t) in jo izenačiti z 0 (glej [14])
R(p(t)q(t)) =
RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR
2a minus9y minus4a 2y 2a minusy 0
0 2a minus9y minus4a 2y 2a minusy
3y 2x minusy 0 0 0 0
0 3y 2x minusy 0 0 0
0 0 3y 2x minusy 0 0
0 0 0 3y 2x minusy 0
0 0 0 0 3y 2x minusy
RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR
= 0
Zadnji stolpec je deljiv z y Ker y = 0 ni del iskane nožiščne krivulje pre-
ostane ko izračunamo determinanto in jo okrajšamo z y in preuredimo
27y2(x2 +y2)2 +4ax(x2 minus9y2)(x2 +y2)minus4a2(x2 minusy2)2 = 0
Rezultat je torej algebrska krivulja šeste stopnje Krivulja je simetrična
glede na abscisno os točka O pa je njena posebna točka Za zelo majhne
x in y prevlada zadnji člen kar pomeni da sta premici y = x in y = minusx v O
tangenti na krivuljo
33
Slika 17 Nožiščna krivulja Kprime krivulje K glede na koordinatno izhodišče
Zanka krivulje Kprime nekoliko spominja na srčnico ali kardioido ki jo
opisujejo točke krožnice ki se brez drsenja kotali po enako veliki krožnici
Krivulja Kprime ima še neomejeni del ki se razteza po drugem in tretjem kvad-
rantu Poglejmo kako potuje točka po krivulji v parametrizaciji (4) ko
parameter t teče po številski premici Za t lt minus1 poteka krivulja po tretjem
kvadrantu pri čemer x(t)rarr minusinfin in y(t)rarr minusinfin ko t rarr minusinfin Pri t = minus1 točka
doseže O v obliki osti ki ima za tangento premico y = x Za minus1 lt t lt 0
potuje točka po četrtem kvadrantu doseže točko D pri t = 0 za 0 lt t lt 1
potuje naprej po prvem kvadrantu in pri t = 1 spet doseže O kjer ima
ost s tangento y = minusx nato nadaljuje pot po drugem kvadrantu pri čemer
x(t)rarr minusinfin in y(t)rarrinfin ko trarrinfin
Nožiščna krivulja malo prej obravnavane krivulje Ks glede na točko O
ni nič drugega kot krivulja K Premice s so namreč tangente na Ks nožišča
točke O na njej pa so točke krivulje K Lahko pa to preverimo z računom
34
tako kot smo poiskali nožiščno krivuljo Kprime za K glede na točko O
Za odvod v poljubni točki na Ks ki ustreza parametru t dobimo
dy
dx(x) =
y
x(t) = minus
1t
Enačbi tangente v tej točki in pravokotnice skozi O nanjo pa se glasita
y +4at3 = minus1t(xminusa(1+3t4)) y = tx
Sekata se v točki s koordinatama
x(t) = a(1minus t2) y(t) = at(1minus t2)
To sta ravno parametrični enačbi krivulje K tako da velja Kprimes =K
Podobno ugotovimo tudi da je premica x = a nožiščna krivulja za para-
bolo Kq Premica x = a je tangenta te parabole v temenu V splošnem je
temenska tangenta parabole kar njena nožiščna krivulja glede na gorišče
Ugotovili smo torej da je nožiščna krivulja krivulje Kr spremljajoča para-
bola krivulje K
Ekstremne točke nožiščne krivulje Kprime
Ekstremne točke na zanki krivulje Kprime dobimo iz odvodov
x(t) =2at(1minus t2)(3t2 +1)(9t4 +2t2 minus3)
(9t4 minus2t2 +1)2
y(t) =2a(t2 minus1)(3t2 +1)(3t4 +6t2 minus1)
(9t4 minus2t2 +1)2
Za t = 0 doseže v točki D(a0) abscisa svojo največjo vrednost Za t = plusmn1
poteka krivulja skozi točko O kjer sama sebe preseka pod pravim kotom
ker je yprime(0) = (yx)(plusmn1) = ∓1
35
Najmanjšo absciso na zanki ima krivulja Kprime v točki ki jo določa para-
meter t za katerega velja pogoj 9t4 +2t2 minus3 = 0 To je bikvadratna enačba
katere realni rešitvi sta tplusmn = plusmnradic
2radic
7minus13 ustrezni točki na krivulji pa
izračunamo z enačbama (4) in dobimo
Xplusmn(a(17minus7radic
7)27plusmnaradic
74radic
7minus17227)
Ekstremni ordinati na zanki ima krivulja takrat za tisto vrednost para-
metra t za katerega velja pogoj 3t4 + 6t2 minus 1 = 0 Realni rešitvi te bi-
kvadratne enačbe sta tplusmn = plusmn(3radic
2minusradic
6) 4radic
36 ustrezni točki na krivulji pa
Yplusmn(a(3minusradic
3)3plusmna 4radic123)
Ker v koordinatah ekstremnih točk nastopajo poleg osnovnih aritmetičnih
operacij le kvadratni in bikvadratni (četrti) koreni so te točke konstruk-
tibilne
Cisoida
Spoznali smo enega od načinov pridobivanja novih ravninskih krivulj iz
danih to je z nožišči izbrane točke na tangentah dane krivulje Krivulji
s tem priredimo nožiščno krivuljo glede na izbrano točko Drug tak pre-
prost način kako iz znanih krivulj dobimo nove je cisoidni način Kako
pa ta poteka
Denimo da sta znani krivulji K1 in K2 ter točka O ki ležijo v isti
ravnini Pri tem sta K1 in K2 taki krivulji da vsaka premica p skozi O
ki seka K1 v neki točki T1 seka tudi K2 recimo v točki T2 (slika 18) Za
vsak T1 označimo na p točko T tako da veljaETHOT =
ETHETHT1T2 Ko T1 potuje po
K1 T opiše krivuljo C ki jo imenujemo cisoida krivulj K1 in K2 glede na
točko O Definicije take cisoide se nekoliko razlikujejo od vira do vira
36
Slika 18 Krivulja C je cisoida krivulj K1 in K2 glede na točko O
Dioklova cisoida s katero rešimo problem podvojitve kocke je cisoida
krožnice x2 + y2 = ax in premice x = a glede na koordinatno izhodišče O
Več o cisoidah in njihovi uporabi je napisanega na primer v [8]
Krivulja K je povezana tudi s polkubično ali semikubno ali Neilovo
parabolo poimenovano po Williamu Neilu (1637ndash1680) Parametrični
enačbi (3) lahko zapišemo v vektorski obliki v standardni bazi kot razliko
kolinearnih vektorjev
r(t) = (x(t)y(t)) =ETHOT = (a(1minus t2)at(1minus t2)) = (aat)minus (at2at3)
Vektor r1(t) = (aat) = (a0)+at(01) je enačba premice x = a v parametrični
obliki vektor r2(t) = (at2at3) pa polkubične parabole ki ima enačbo ay2 =
x3 in ost v točkiO Parameter t geometrijsko pomeni tangens naklonskega
kota premice OA (slika 13)
Premica y = tx poteka skozi koordinatno izhodišče O in seka premico
x = a v točkiA(aat) zato jeETHOA = r1 Ista premica seka polkubično parabolo
P ki ima enačbo ay2 = x3 v točki P (at2at3) tako da jeETHOP = r2 S tem je
ETHPA =
ETHOAminus
ETHOP = r1minus r2 = r To pomeni da je r =
ETHOT =
ETHOAminus
ETHOP Potemtakem
je krivulja K cisoida polkubične parabole P z enačbo ay2 = x3 in premice
37
Slika 19 De Slusova perla K kot cisoidna krivulja
x = a glede na točko O (slika 19)
Neilova parabola in ločna dolžina
Neilova ali polkubična parabola ay2 = x3 je bila v zgodovini matematike
pomembna kot ena prvih krivulj za katero so znali izračunati ločno dolžino
Prav prvi je to znal John Wallis (1616ndash1703) leta 1657
Denimo da nas zanima ločna dolžina `(b) te krivulje nad intervalom
[0b] (slika 20) Znano je da lahko uporabimo formulo za ločno dolžino
krivulje ki je dana v eksplicitni obliki
`(b) = intb
0
radic
1+yprime2dx
Pri tem je y = f (x) enačba krivulje in yprime = f prime(x) V našem primeru je y =
38
Slika 20 Neilova ali polkubična parabola
f (x) = plusmnradicx3a Kratek račun nam da yprime2 = 9x(4a) in
`(b) = intb
0
radic
1+9x4adx
Z uvedbo nove integracijske spremenljivke u z relacijo u2 = 1 + 9x(4a)
dobimo
`(b) =8a9 int
c
1u2du =
8a27
(c3 minus1)
pri čemer je c =radic
1+9b(4a)
Leibnizeva izohrona je krivulja po kateri se je leta 1687 vprašal G W
Leibniz Poiskati je treba v navpični ravnini krivuljo po kateri se brez
trenja giblje točkasta masa ki je podvržena konstantnemu težnostnemu
polju tako da je navpična komponenta njene hitrosti ves čas konstantna
Nalogo je prvi rešil C Huygens nizozemski astronom fizik in matema-
tik znan tudi po odkritju Saturnovega satelita Titana in znamenitih Sat-
urnovih obročev ter po izdelavi prve ure na nihalo kar je bilo za tiste čase
velik napredek v merjenju točnega časa
39
Slika 21 Leibnizeva izohrona
Izhodišče O postavimo v najvišjo točko krivulje (slika 21) V tej točki
je horizontalna hitrost premikajoče se mase m enaka 0 Naj bo v0 njegova
navpična hitrost navzdol Os y je vodoravna os x pa usmerjena navz-
dol Potencialno energijo mase računamo nad izbranim nivojem spodaj V
skladu z načelom ohranitve mehanske energije v času t in času 0 potem
velja12mv2(t)+mg(hminusx(t)) =
12mv2
0 +mgh
Pri tem je g težni pospešek Po poenostavitvi dobimo v2(t) = 2gx(t)+ v20
Vektor hitrosti ima v vsakem trenutku med seboj pravokotni komponenti
v(t) = (x(t) y(t)) za t = 0 pa v(0) = (v00) Upoštevamo da je ∣v(t)∣2 =
v2(t) = x2(t) + y2(t) in da je x(t) = v0 pa imamo sistem diferencialnih
enačb
x(t) = v0 y(t) =radic
2gx(t)
ki ga rešimo pri začetnih pogojih x(0) = y(0) = 0 in dobimo
x(t) = v0t y(t) =23
radic2gv0t3
40
Koordinati točk na dobljeni krivulji zadoščajo enačbi
ay2 = x3 a =9v2
0
8g
Pri dani konstanti a je v0 = (23)radic
2ag Iskana krivulja je torej Neilova
parabola Ime izohrona je dobila zato ker točkasta masa po vertikali
v enakih časih prepotuje enake razdalje V grščini beseda ἴσος pomeni
rdquoenakrdquo χρόνος pa rdquočasrdquo
Dolžina ` zanke krivulje K nas pripelje do zapletenega eliptičnega in-
tegrala za katerega zapišimo približno vrednost
` = 2aint1
0
radic9t4 minus2t2 +1dt ≐ 271559186a
Pač pa je dolžina loka ` četrtkubične parabole Ks ogrinjače premic s bolj
prijazna Za dolžino loka od točke D ki ustreza parametru t = 0 do točke
ki ustreza parametru t = α dobimo
` = 12aintα
0t2
radic1+ t2dt =
3a2
(α(1+2α2)radic
1+α2 minus ln(α +radic
1+α2))
Prav tako dolžina loka ` navadne parabole Kq ogrinjače premic q ne
dela težav Za dolžino loka od točke D ki ustreza parametru t = 0 do
točke ki ustreza parametru t = α dobimo
` = 2aintα
0
radic1+ t2dt = a(α
radic1+α2 + ln(α +
radic1+α2))
Za spremljajočo parabolo dobimo prav tako enostaven rezultat za ločno
dolžino od točke O do točke ki ustreza parametru t = α
` = intα
0
radic1+4t2dt =
a4(2α
radic1+4α2 + ln(2α +
radic1+4α2))
Nazadnje zapišimo še ločno dolžino polkubične parabole Kr
` = 6aintα
0tradic
1+ t2dt = 2a((1+α2)radic
1+α2 minus1)
41
Pri vseh zgornjih primerih je parameter t strmina premice p v prvotni
konstrukciji krivulje K
Ploščine in prostornine
Ploščina S lika ki ga omejuje zanka krivulje K je
S =2radica int
a
0xradicaminusxdx
Z uvedbo nove integracijske spremenljivke t z relacijo aminusx = t2 je
S =4radica int
radica
0t2(aminus t2)dt =
4radica int
radica
0(at2 minus t4)dt =
8a2
15
Lahko pa jo izrazimo tudi s splošno formulo ki smo jo izpeljali na začetku
razdelka S to formulo lahko izrazimo še prostornino V telesa ki ga pri
rotaciji okoli osi x opiše lik
V =πa int
a
0x2(aminusx)dx =
πa3
12
To je ravno polovica prostornine krogle s premerom a
Pač pa je izraz za ploščino S prime lika ki ga omejuje zanka krivulje Kprime bolj
zapleten izraz Uporabimo parametrični enačbi (4) in dobimo
S prime = int1
0(x(t)y(t)minus x(t)y(t))dt = 2a2
int
1
0
(1minus t2)3(1+2t2 minus3t4)(9t4 minus2t2 +1)2 dt
Če se zanesemo na računalniško računanje določenih integralov potem je
S prime =2a2
729(3(43πminus28)+52
radic2ln(1+
radic2))
kar je približno S prime ≐ 1059206796a2 Do enakega rezultata pridemo z
navidez enostavnejšo formulo
S prime = 2inta
0y(x)dx
42
toda drugim težjim integralom
S prime = 2int0
1y(t)x(t)dt = minus8a2
int
1
0
t2(1minus t2)3(3t2 +1)(9t4 +2t2 minus3)(9t4 minus2t2 +1)3 dt
Zakaj smo integrirali po parametru t od 1 do 0 Zato ker abscisa x narašča
od 0 do a ko t pada od 1 do 0 Ordinata y pa je pri tem nenegativna (glej
izraza (4))
Tudi izraz za prostornino V prime telesa ki ga pri rotaciji okoli osi x opiše
lik omejen s Kprime je navidez enostaven
V prime =πinta
0y2(x)dx
toda s parametrom t je zapleten a eksaktno izračunljiv
V prime =πint0
1y2(t)x(t)dt = 8πint
1
0
t3(t2 minus1)5(3t2 +1))(9t4 +2t2 minus3)(9t4 minus2t2 +1)4 dt
Za rezultat dobimo
V prime =2πa3
19683(431π
radic2+369+744ln2)
kar je približno V prime ≐ 08936800975a3
Naj bo s tem računanja integralov dovolj V nadaljevanju se bomo
posvetili nekaterim lažjim problemom
Tangenta
Pri krivuljah v koordinatnem sistemu Oxy so pomembni štirje dotikalni
elementi za posamezne točke T odsek na tangenti ∣TA∣ odsek na normali
∣T B∣ subtangenta ∣AT prime∣ in subnormala ∣BT prime∣ (slika 23) Izražajo se takole
∣TA∣ = ∣y
yprime
radic
1+yprime2∣ ∣T B∣ = ∣yradic
1+yprime2∣ ∣T primeA∣ = ∣y
yprime∣ ∣T primeB∣ = ∣yyprime∣
43
Slika 22 Ploščini likov omejenih z zankama krivulj K in Kprime
Pri tem pomeni yprime = f prime(x) če je enačba krivulje y = f (x) Točka T prime je pra-
vokotna projekcija točke T na abscisno os A je presečišče tangente na
krivuljo v točki T z osjo x B pa presečišče normale z osjo x Dotikalni
elementi so posebej definirani tudi za krivulje v polarnih koordinatah
Slika 23 Dotikalni elementi krivulje
De Sluse je za algebrsko krivuljo f (xy) = 0 po svoje našel izraz za sub-
tangento ts to je pravokotno projekcijo odseka na tangenti
44
na os x V današnji pisavi se subtangenta izraža v obliki
ts = minusy
partfparty (xy)
partfpartx (xy)
Za krivuljo K je f (xy) = ay2 minusx2(aminusx) = 0 in
ts =2x(xminusa)3xminus2a
Lotimo se še konstrukcije tangente t in normale n naK v točki T0(x0y0) ne
O ki enolično določa točko A(aay0x0) kot presečišče premice p skozi O
in T0 s premico x = a Skozi A povlecimo vzporednico nprime z normalo n na K
v točki T0 Normala ima smerni koeficient kn = tsy0 oziroma
kn =
partfparty (x0y0)
partfpartx (x0y0)
=2ay0
x0(3x0 minus2a)
Premica nprime ima enačbo
y minusay0
x0=
2ay0
x0(3x0 minus2a)(xminusx0)
in preseka abscisno os v točki T1(x10) za katero po krajšem računu do-
bimo x1 = 2a minus 3x02 Točko T1 in premico nprime zlahka geometrijsko kon-
struiramo Iskana tangenta t v točki T0 je pravokotna na nprime normala n pa
vzporedna z nprime (slika 24)
Inverzija krivulje K na krožnici
Po navadi za ravninske krivulje pogledamo še njihove inverzne slike na
krožnici Inverzija ali zrcaljenje na krožnici x2 + y2 = r2 je ravninska pres-
likava ι definirana s predpisom
ι ∶ (xy)↦ (r2x
x2 +y2 r2y
x2 +y2)
45
Slika 24 Tangenta in normala na krivuljo K
S spreminjanjem polmera r krožnice dobimo med seboj podobne krivulje
Če zrcalimo na krožnici x2 + y2 = a2 krivuljo K ki ima implicitno enačbo
(2) dobimo krivuljo Klowast ki ima enačbo
y4 = minusx3(aminusx)
ki je formalno oblike (2) zam = 4n = 3p = 1 in k = minus1 Dobljena krivuljaKlowast
je simetrična glede na os x ima dve veji abscisa na njej doseže ekstremni
vrednosti v točkah O(00) in D(a0) Ima pa kot bomo videli tudi dve
asimptoti y = xminusa4 in y = minusx+a4 (slika 25)
Krivuljo Klowast se da lepo parametrizirati s parametrom τ če v njeno
enačbo y4 = minusx3(aminusx) vstavimo y = τx Dobimo
x(τ) =a
1minusτ4 y(τ) =aτ
1minusτ4
To sta parametrični enačbi krivulje Klowast
Ko τ uarr minus1 x(τ)rarr minusinfin in y(τ)rarr +infin ko τ darr minus1 x(τ)rarr +infin in y(τ)rarr minusinfin
ko τ uarr +1 x(τ)rarr +infin in y(τ)rarr +infin ko τ darr +1 x(τ)rarr minusinfin in y(τ)rarr minusinfin
46
Slika 25 Inverzna slika Klowast krivulje K
Konstanti k in n poševne asimptote y = kx + n krivulje Klowast dobimo s
formulama
k = limxrarrplusmninfin
y
x n = lim
xrarrplusmninfin(y minus kx)
V našem primeru je
k = limxrarrplusmninfin
y
x= limτrarrplusmn1
τ = plusmn1 n = a limτrarrplusmn1
τ ∓11minusτ4 = ∓
a4
Poševni asimptoti sta torej premici y = plusmn(xminusa4)
Obnašanje krivulje v okolici točke D utemeljimo če zapišemo impli-
citno obliko krivulje nekoliko drugače
y4 = (xminusa)x3 = (xminusa)(a+(xminusa))3 = a3(xminusa)+3a2(xminusa)2+3a(xminusa)3+(xminusa)4
47
Slika 26 Krivulja Klowast in približka v okolici točk O in D
Za x ki je zelo blizu a prevlada na desni prvi člen tako da je y4 asymp a3(xminusa)
Razlika xminusa se torej obnaša približno tako kot bikvadrat ordinate y
V okolici točke O kjer so abscise negativne iz istega razloga velja y4 asymp
minusax3 zato se tam krivulja obnaša približno tako kot četrtkubična parabola
(slika 26)
Inverzija krivulje Kprime na krožnici
Na krožnici x2 + y2 = a2 zrcalimo še krivuljo Kprime nožiščno krivuljo krivulje
K glede na točko O Dobimo dvodelno krivuljo Kprimelowast kakršno vidimo na
sliki 27
Enačba nove krivulje v implicitni obliki je
4(x2 minusy2)2 minus4ax(x2 minus9y2)minus27a2y2 = 0
48
Slika 27 Inverzna slika Kprimelowast krivulje Kprime
Krivulja je algebrska četrte stopnje je simetrična glede na os x ima ost
z vodoravno tangento v točki O skozi točko D pa poteka v blagem loku
Natančneje ugotovimo približni potek krivulje v okolici teh dveh točk če
v zgornji enačbi obdržimo prevladujoče člene V okolici točke O kjer so
abscise negativne je ay2 asymp minus4x327 torej približno tako kot polkubična
parabola V okolici točke D(a0) je y2 asymp minus4a(x minus a) kar pomeni da se
krivulja obnaša približno tako kot parabola
Pritisnjeni krožnici na K
Pritisnjeni krožnici v točki O na krivuljo K sta inverzni sliki asimptot
krivulje Klowast na krožnici x2 + y2 = a2 Preprost račun pokaže da se asimp-
toti krivulje Klowast z inverzijo ι preslikata v krožnici x2 + y2 plusmn4ay minus4ax = 0 ki
imata središči v točkah Splusmn(2aplusmn2a) in polmer 2aradic
2 Sekata se pavokotno
v točkah O in M(4a0) Inverzija ι namreč ohranja kote (slika 28)
49
Slika 28 Pritisnjeni krožnici na krivuljo K v točki O
Ukrivljenost κ(t) krivulje K v točki ki ustreza parametru t brez težav
izračunamo iz njenih parametričnih enačb (3)
κ(t) =2(3t2 +1)
a(1minus2t2 +9t4)32
V posebnem primeru je v točki O to se pravi za t = plusmn1 ukrivljenost enaka
κ(plusmn1) = 1(2aradic
2) zato sta v O polmera pritisnjenih krožnic 1κ(plusmn1) =
2aradic
2 kar se seveda ujema z rezultatom dobljenim z inverzijo na krožnici
Toksoida
Videli smo da je inverzna slika krivulje K krivulja Klowast ki ima enačbo y4 =
minusx3(aminusx) ki je formalno oblike (2) zam = 4n = 3p = 1 in k = minus1 Prav tako
je krivulja ay2 = minusx2(aminus x) ki jo dobimo iz enačbe ay2 = x2(aminus x) krivulje
K če zamenjamo aminus x z x minus a formalno oblike (2) za m = 2n = 2p = 1 in
50
k = minus1a Krivuljo označimo jo s T ki ima enačbo
ay2 = x2(xminusa)
je nemški amaterski matematik samouk in izumitelj Diedrich (tudi Diede-
rich) Uhlhorn (1764ndash1837) imenoval rdquotoksoidardquo V svojem delu [13] obrav-
nava več krivulj in za nekatere tudi opiše mehanske naprave s katerimi
se jih da risati pa tudi njihovo uporabo pri reševanje enačb Beseda rdquotok-
soidardquo izvira iz dveh grških τόξον kar pomeni rdquolokrdquo (kot orožje) pa tudi
rdquopuščicardquo in εἶδος kar med drugim pomeni rdquooblika podobardquo D Uhlhorn
je imenoval krivuljo v nemščini rdquoBogenlinierdquo ker nemški samostalnik rdquoBo-
genrdquo pomeni prav tako rdquolokrdquo Iz besede τόξον smo dobili tudi besede ki
so povezane s strupi kajti bojne puščice so bile često zastrupljene
Slika 29 Toksoida
Toksoida ima tudi izolirano točkoO(00) saj njeni koordinati zadoščata
implicitni enačbi
Iz implicitne enačbe toksoide dobimo z zamenjavo y = tx njeni parametri-
čni enačbi
x(t) = a(1+ t2) y(t) = at(1+ t2) (5)
ki pa ne vključujeta izolirane točke O
51
Toksoida je algebrska krivulja tretje stopnje simetrična glede na os x
ki jo preseka za t = 0 v točki D(a0) kjer ima navpično tangento Krivulja
na prvi pogled ni nič posebnega a že D Uhlhorn je pokazal kako se kon-
struira njene posamezne točke in kako se z njo podvoji kocko
Slika 30 Konstrukcija točk toksoide
Do točke T na toksoidi pridemo takole V koordinatnem sistemu Oxy
za pozitiven a določimo točko D(a0) in skoznjo konstruiramo pravokot-
nico na os x torej premico x = a (slika 30) Na tej premici izberemo točko
A ki jo bomo spreminjali da bomo dobili krivuljo Skozi O in A nato
načrtamo premico p v A pa nanjo pravokotnico q ki seka abscisno os v
točki B V B postavimo na abscisno os pravokotnico r ki preseka premico
p v točki T Ko A potuje po premici x = a točka T opiše toksoido T brez
izolirane točke O
Da res dobimo toksoido T je treba samo zapisati enačbi y = tx premice
p in y = minus(x minus a)t + at premice q ter točki A(aat) in B(a(1 + t2)0) ter
T (a(1+t2)at(1+t2)) Koordinati točke T pa res dasta paramatrični enačbi
52
toksoide
Slika 31 Konstrukcija srednjih geometrijskih sorazmernic s toksoido
Iz podobnih trikotnikov ODA OAB in OBT na sliki 30 sledi relacija
∣OD ∣
∣OA∣=∣OA∣
∣OB∣=
∣OB∣∣OT ∣
kar pomeni da sta ∣OA∣ in ∣OB∣ srednji geometrijski sorazmernici daljic
∣OD ∣ = a in ∣OT ∣ = b Zato lahko izrazimo ∣OA∣ =3radica2b in ∣OB∣ =
3radicab2 na isti
način kot pri (3)
Če imamo že načrtano toksoido T potem srednji geometrijski sorazmer-
nici za a in b gt a dobimo tako da poiščemo presečišče T krožnice s sredi-
ščem v O skozi točko C(b0) in na zgoraj opisan način poiščemo premice
pq in r ter točki A in B (slika 31) Za b = 2a na ta način rešimo problem
podvojitve kocke ∣OA∣ = a 3radic
2
Ukrivljenost κ(t) toksoide T v točki ki ustreza parametru t brez težav
53
izračunamo iz njenih parametričnih enačb (5)
κ(t) =2(3t2 minus1)
a(1+10t2 +9t4)32
Opazimo da ukrivljenost menja predznak pri t = plusmn1radic
3 kar nam da točki
Pplusmn(4a3plusmn4aradic
39) v katerih ima T prevoja s tangentama s smernima koe-
ficientoma plusmnradic
3 Tangenti oklepata z osjo x kota plusmnπ3 Pritisnjena krožnica
v točki D ki ustreza t = 0 ima za polmer 1∣κ(0)∣ = a2 in središče v točki
S(3a20) (slika 32)
Slika 32 Prevoja toksoide T in pritisnjena krožnica v točki D
Prevoja sta konstruktibilna pri čemer si lahko pomagamo z vesico pis-
cis nad daljico OD Njeni točki Vplusmn sta narazen za aradic
3 premici skozi O
in Vplusmn pa določata smeri tangent v prevojih Prav tako je konstruktibilna
točka S V okolici točk D in Pplusmn je ujemanje toksoide s pritisnjeno krožnico
v D in tangentama v prevojih Pplusmn zelo dobro
54
Enačba toksoide T v polarnih koordinatah in ϕ je
(ϕ) =a
cos3ϕ
kar sledi iz njene implicitne oblike
a(x2 +y2) = x3
Pri tem je treba le upoštevati zvezi x2 +y2 = 2 in x = cosϕ
Polarna oblika je zelo primerna za študij inverzije na krožnici s središčem
v točki O in polmerom R Če je namreč lowast polarni polmer invertirane
krivulje mora veljati relacija
(ϕ)lowast(ϕ) =R2
Če izberemo R = a dobimo za inverzno sliko toksoide T krivuljo (slika 33)
T lowast ki ima nasledno enačbo v polarnih koordinatah
lowast(ϕ) = acos3ϕ
Slika 33 Inverzna slika T lowast toksoide T
55
Iz polarne oblike krivulje T lowast hitro izpeljemo še njeno implicitno enačbo
(x2 +y2)2 = ax3
Torej je T lowast algebrska krivulja četrte stopnje
Ploščino S lika ki ga ograjuje krivulja T lowast izračunamo po znani for-
muli
S = 2 sdot12 int
π2
0lowast2(ϕ)dϕ = a2
int
π2
0cos6ϕdϕ = a2 sdot
56
sdotπ2=
5πa2
32
Krivulja T lowast je simetrična glede na os x v točkah O in D ima navpični
tangenti največji odklon od osi x pa doseže v točkah Yplusmn(9a16plusmn3aradic
316)
kjer ima vodoravni tangenti in sicer pri polarnih kotih plusmnπ6
De Slusove pomnoževalke hiperkock
Podvojitev kocke je kot vemo klasični grški geometrijski problem ki se ga
ne da rešiti evklidsko to je samo z neoznačenim ravnilom in šestilom kar
so dokazali šele v 19 stoletju Problem zahteva določiti rob kocke ki ima
prostornino enako dvakratniku prostornine dane kocke To pomeni da
je treba za dano daljico a konstruirati tako daljico b za katero je b = a 3radic
2
Problem podvojitve kocke so Grki znali rešiti na več načinov Eden od njih
je možen s posebno ravninsko krivuljo z Dioklovo cisoido (več na primer
v [7])
Povsem smiselno se je vprašati kako bi pomnožili s faktorjem s gt 0
poljubno r-razsežno hiperkocko z robom a Njena prostornina je ar zato
je b = a rradics rob hiperkocke katere prostornina je s-kratnik prostornine
hiperkocke z robom a Dva primera sta trivialna Za r = 1 imamo daljico
56
njena rdquoprostorninardquo je kar njena dolžina a za r = 2 pa kvadrat čigar rdquopros-
torninardquo je kar njegova ploščina a2 Za r = 3 imamo opraviti z običajno
kocko z običajno prostornino a3 V prvih dveh primerih množenje s fak-
torjem s ni problematično saj s problemom lahko geometrijsko rešimo s
podobnimi trikotniki in z višinskim izrekom v pravokotnem trikotniku
Za r ge 4 si r-razsežno hiperkocko teže predstavljamo ker je ne moremo
realizirati z običajno geometrijo To pa ni ovira pri pomnožitvi take hiper-
kocke s številom s ker moramo znati samo njen rob a geometrijsko pom-
nožiti s številom rradics kar pa lahko naredimo v običajni ravnini V mate-
matični analizi je r-razsežna hiperkocka z robom a na primer kar r-kratni
kartezični produkt intervala [minusa2a2] s samim seboj to je množica
[minusa2a2]r = (x1x2 xr) isinRr ∶ ∣x1∣ le a2 ∣x2∣ le a2 ∣xr ∣ le a2
Oglejmo si de Slusove perle (2) z eksponenti mn =mminus 1 in p = 1 fak-
torjem k = 1 ter a gt 0 pri čemer je m sodo število to se pravi krivulje z
implicitno enačbo
ym = xmminus1(aminusx) (6)
oziroma xm + ym = axmminus1 Pri danem m označimo ustrezno krivuljo s Hm
Med njimi je tudi stara znanka x2 + y2 = ax krožnica s polmerom a2
in središčem v točki S(a20) Skupne vsem krivuljam so točke O(00)
Cplusmn(a2plusmna2) D(a0) ter navpični tangenti v O in D Krivulje Hm so za-
ključene in simetrične glede na os x in se dajo lepo parametrizirati z y = tx
Za vsako dobimo parametrično enačbo
x(t) =a
1+ tm y(t) =
at1+ tm
(7)
Najbolj se taka krivulja oddalji od abscisne osi za t = 1 mradicmminus1 v točkah
Yplusmn(a(mminus1)mplusmnam mradic
(mminus1)mminus1) Za t = 0 dobimo točko D za ∣t∣rarrinfin pa
57
se krivulja bliža točki O Slika 34 kaže nekaj primerov
Slika 34 Nekaj krivulj Hm
Naj bo s poljubno pozitivno število in A(0as) točka na osi y Premica
skozi A in D preseka krivuljo Hm v točkah D(a0) in B(x0y0) za katero
potrebujemo samo razmerje y0x0 Na sliki 35 je izbran eksponent m = 4
Premica skozi A in D ima enačbo xa+sya = 1 iz katere izrazimo aminusx = sy
in vstavimo v enačbo (6) Dobimo ym = ysxmminus1 Ker iščemo točko B s
pozitivno ordinato lahko z y krajšamo in dobimo y0x0 =mminus1radics
Premica skozi O in B ima enačbo y = y0xx0 in preseka premico x = a
v točki C(aay0x0) oziroma C(aa mminus1radics) Zato je ∣DC∣ = ∣OD ∣ mminus1
radics) V
primeru m = 4 in s = 2 je ∣DC∣ = ∣OD ∣3radic
2) kar pomeni da se nam je pos-
rečilo podvojiti trirazsežno kocko Za s = 3 kocko potrojimo za s = 4
početverimo itd Še več zam = 6 in s = 2 podvojimo 5-razsežno hiperkocko
58
za s = 3 jo potrojimo za s = 4 početverimo itd
Slika 35 Krivulja H4 in pomnožitev roba trirazsežne kocke
Lihih m nam ni treba posebej obravnavati ker krivulje Hm ne bi bile
prave de Slusove perle Poleg tega bi tedaj bil mminus 1 sodo število denimo
m minus 1 = 2αq z naravnim α in lihim q Korenjenje se potem da izvesti z
α-kratnim kvadratnim korenjenjem in enim q-tim korenjenjem s krivuljo
Hq+1 kakor smo zgoraj opisali
Drug način za pomnožitev hiperkock poteka s cisoidami Cm krivuljHm
in premice x = a Pri parametru t premica y = tx preseka premico x = a
v točki C(aat) točka B pa ima tedaj koordinati dani z parametričnima
enačbama (7) S koordinatami točk B in C imamo takoj
ETHBC = (aminus
a1+ tm
at minusat
1+ tm) = (
atm
1+ tmatm+1
1+ tm)
59
Slika 36 Nekaj krivulj Cm
Da bo točka T na cisoidi Cm mora veljati zvezaETHOT =
ETHBC Potemtakem ima
Cm parametrični enačbi
x(t) =atm
1+ tm y(t) =
atm+1
1+ tm (8)
Ker je t = yx dobimo še implicitno enačbo krivulje Cm
xm+1 = ym(aminusx) (9)
oziroma x(xm+ym) = aym Krivulje so za sodem definirane nad intervalom
60
[0a) so simetrične glede na os x imajo za asimptoto premico x = a in
potekajo skozi koordinatno izhodišče O in točki Cplusmn(a2plusmna2) Asimptoti
se krivulja bliža ko ∣t∣ rarr infin V točki O pri t = 0 imajo ost z vodoravno
tangento Za m = 2 dobimo staro znanko Dioklovo cisoido
Slika 37 Krivulja C4 in pomnožitev roba 5-razsežne hiperkocke
Izberimo sedaj na ordinatni osi točko A(0as) pri čemer je s pozi-
tivno število in vzemimo premico skozi točki A in D (slika 37) Ta ima
enačbo xa + y(as) = 1 iz katere izrazimo a minus x = ys Premica preseka
cisoido Cm v točki M(x0y0) s pozitivno ordinato Iz enačb premice skozi
A in D in (9) dobimo y0x0 = m+1radics Premica skozi točki O in M ima
enačbo y = y0xx0 in preseka premico x = a v točki E(aa m+1radics) Torej velja
61
zveza ∣DE∣ = ∣OD ∣ m+1radics kar pomeni da smo našli rob (m + 1)-razsežne
hiperkocke ki ima za prostornino s-kratnik prostornine dane (m + 1)-
razsežne hiperkocke
Naj bo Sm ploščina lika ki ga omejuje krivulja Hm in Qm ploščina
neomejenega lika ki ga omejuje krivulja Cm z asimptoto Ni ju težko
izraziti
Pm =a2(mminus1)πm2 sin π
m Qm =
a2(m+1)πm2 sin π
m
Nadalje naj bo Vm prostornina telesa ki nastane z rotacijo krivulje Hm
okoli osi x Wm pa prostornina neomejenega telesa ki nastane z rotacijo
krivulje Cm okoli osi x Prav tako ju ni težko izraziti
Vm =2a3(mminus1)(mminus2)π2
3m3 sin 2πm
Wm =2a3(m+1)(m+2)π2
3m3 sin 2πm
Ploščine in prostornine so poleg drugega zanimale že matematike v
17 stoletju zlasti C Huygensa Izračunajmo prostornino telesa Um ki
nastane z rotacijo lika med cisoido in njeno asimptoto okoli te asimptote
(slika 38) Uporabili bomo sodobne zapise in Eulerjevi funkciji B in Γ ki
ju C Huygens še ni mogel poznati Presek nastalega telesa na višini y je
krog s polmerom aminusx in ploščino π(aminusx)2 Upoštevamo še simetrijo lika
glede na os x uporabimo parametrično obliko (8) in nastavimo integral
Um = 2πintinfin
0(aminusx(t))2y(t)dt = 2πa3
int
infin
0
tm(tm +m+1)(1+ tm)4 dt
ki ga lahko izrazimo v obliki
Um = 2πa3(I2 + (mminus1)I3 minusmI4)
pri čemer je
Ik = intinfin
0
dt
(1+ tm)k
62
ki ima za m ge 2 in k ge 1 končno vrednost S substitucijo u = 1(1 + tm)
dobimo
Ik =1m int
1
0ukminus1minus1m(1minusu)1mminus1du =
1m
B(kminus1m1m) =Γ(k minus1m)Γ(1m)
mΓ(k)
Na koncu je rezultat zelo preprost
Um =2π2a3(m2 minus1)
3m3 sin πm
Prve tri prostornine so
U2 =π2a3
4 U4 =
5radic
2π2a3
32 U6 =
35π2a3
162
Slika 38 Telo nastalo z zasukom lika med krivuljo C2 in njeno asimptoto
okoli te asimptote
Izračunajmo prostornino telesa Um ki nastane z rotacijo lika med cisoido
in njeno asimptoto okoli osi y (slika 39) Presek nastalega telesa na višini y
63
je krožni kolobar z notranjim polmerom x in zunanjim polmerom a ki ima
ploščino π(a2minusx2) Upoštevamo še simetrijo lika glede na os x uporabimo
parametrično obliko (8) in nastavimo integral
Um = 2πintinfin
0(a2 minusx2(t))y(t)dt = 2πa3
int
infin
0
tm(tm +m+1)(2tm +1)(1+ tm)4 dt
ki ga lahko izrazimo z zgoraj vpeljanimi integrali Ik v obliki
Um = 2πa3(2I1 + (2mminus3)I2 minus (3mminus1)I3 +mI4)
Na koncu dobimo za rezultat
Um =2π2a3(m+1)(2m+1)
3m3 sin πm
Prve tri prostornine so
U2 =5π2a3
4 U4 =
15radic
2π2a3
32 U6 =
91π2a3
162
V 17 stoletju so se zanimali tudi za težišča homogenih likov in teles
Lik ki ga omejuje krivulja Hm ima težišče na abscisni osi oddaljen za xT
od osi y Da bi lahko poiskali xT moramo najprej izračunati za ta lik
moment
Mm = 2inta
0xy dx = 2int
0
infinx(t)y(t)xdt = 2a3mint
infin
0
tm
(1+ tm)4 dt
Izrazimo z integrali Ik in dobimo
Mm = 2a3m(I3 minus I4) =πa3(mminus1)(2mminus1)
3m3 sin πm
Abscisa težišča lika je potem kvocient momenta Mm in ploščine Sm
xT =(2mminus1)a
3m
64
Slika 39 Telo nastalo z zasukom lika med krivuljo C2 in njeno asimptoto
okoli osi y
Lik omejen s krivuljo Cm ima težišče na abscisni osi oddaljen za xC
od osi y Da bi poiskali xC uporabimo kar PaposndashGuldinovo pravilo za
prostornino vrtenine
2πxC sdotQm = Um
kjer je Qm ploščina lika ki ga rotiramo okoli osi y Rezultat je proti vsem
pričakovanjem zelo preprost
xC =(2m+1)a
3m
Poznoantični matematik Papos iz Aleksandrije (290ndash350) v grščini Πάπ-
πος ὁ Αλεξανδρεύς v latinščini Pappus je pomemben ker je zbral prak-
tično vse dotakratno matematično znanje Grkov in dodal še marsikaj svo-
65
jega Njegovo najpomembnejše delo je rdquoZbirkardquo v grščini Συναγωγή Uk-
varjal se je tudi s klasičnimi grškimi geometrijskimi problemi
Jezuit Paul Guldin (1577ndash1643) je bil švicarski matematik in astronom
profesor matematike na Dunaju in v Gradcu Pred tem je študiral v Rimu
Skupaj s Paposom je znan
po pravilih za izračun prostornine rotacijskega telesa in površine rotacij-
ske ploskve
Slika 40 Telo nastalo z zasukom lika ki ga omejuje H4 okoli osi y
ProstorninaXm vrtenine ki nastane z rotacijo lika omejenega s krivuljo
Hm okoli osi y je po PaposndashGuldinovem pravilu za prostornino enaka
Xm = 2πxT sdot Pm = 2π(2mminus1)a
3msdota2(mminus1)πm2 sin π
m=
2π2a3(2mminus1)(mminus1)3m3 sin π
m
Slika 40 kaže vrtenino za primer krivulje H4 Podobne slike bi dobili tudi
za druge Hm
Če isti lik rotiramo okoli premice x = a tangente na krivuljo Hm v
točki D dobimo vrtenino s prostornino Ym ki jo izračunamo prav tako
66
po PaposndashGuldinovem pravilu za prostornino in dobimo
Ym = 2π(aminusxT ) sdot Pm = 2π(m+1)a
3msdota2(mminus1)πm2 sin π
m=
2π2a3(m2 minus1)3m3 sin π
m
Opazimo da je prostornina Ym enaka prostornini Um telesa ki nastane
z rotacijo lika med krivuljo Cm in njeno asimptoto okoli te asimptote
Dokler ni bil razvit infinitezimalni račun kakršnega poznamo danes
so računali ploščine težišča prostornine in površine za vsak primer pose-
bej Veliko so se v 17 stoletju pa tudi že prej znani matematiki ukvarjali
s cikloido na primer N Kuzanski M Mersenne G Galilei G P de Rober-
val C Wren G Cardano B Pascal I Newton G W Leibniz C Huygens
je neko njeno lastnost uporabil pri izdelavi ure na nihalo
Evdoksova kampila
Oglejmo si naslednjo konstrukcijo točk krivulje V točki D(a0) pri čemer
je a gt 0 postavimo pravokotnico p na abscisno os Na p izberemo točko
A ki jo bomo kasneje premikali po tej premici Skozi O in A načrtamo
premico q in skozi A krožnico s središčem v koordinatnem izhodišču O
Krožnica preseka abscisno os v točkah B in Bprime ki sta simetrični glede na
točko O V B in Bprime konstruiramo pravokotnici r in rprime na os x ki presekata
p v točkah T in T prime ki sta tudi simetrični glede na točko O Ko teče točka
A po premici p opišeta T in T prime dvodelno krivuljo ki so jo poimenovali
rdquoEvdoksova kampilardquo Točka T opiše njeno desno vejo T prime pa levo Krivulja
je očitno simetrična glede na obe koordinatni osi (slika 41)
Enačbo desne veje dobljene Evdoksove kampile je najlaže najprej izraz-
iti v polarnih koordinatah nato pa še v implicitni obliki v pravokotnih
67
Slika 41 Konstrukcija točk Evdoksove kampile
kartezičnih koordinatah Za polarni kot ϕ vzamemo naklonski kot pre-
mice q za polarni radij pa razdaljo ∣OT ∣ (slika 41) Najprej očitno veljata
zvezi ∣OA∣ = ∣OD ∣cosϕ = acosϕ in = ∣OT ∣ = ∣OB∣cosϕ = ∣OA∣cosϕ iz
katerih dobimo = acos2ϕ tako da je nazadnje pri pogoju minusπ2 ltϕ ltπ2
polarna enačba desne veje Evdoksove kampile
(ϕ) =a
cos2ϕ (10)
Obe veji krivulje imata implicitno obliko
a2(x2 +y2) = x4 (11)
ki jo dobimo iz polarne oblike z upoštevanjem zvez 2 = x2 + y2 in cosϕ =
x Krivulja v obliki (11) ima izolirano točko O(00) ki je posledica del-
jenja z ki je lahko tudi enak 0 Evdoksova kampila je algebrska krivulja
četrte stopnje
Z Evdoksovo kampilo se da podvojiti kocko Načrtamo krožnico s
središčem v točkiD in polmerom a Njena enačba je x2+y2 = 2ax Vstavimo
68
Slika 42 Podvojitev kocke z Evdoksovo kampilo
2ax namesto x2 + y2 v (11) in dobimo enačbo x4 minus2a3x = x(x3 minus2a3) = 0 ki
ima realni rešitvi x0 = 0 in x1 = a 3radic
2 V prvem kvadrantu se krožnica in
Evdoksova kampila sekata v točki T (a 3radic
2aradic
2 3radic
2minus 3radic
4) kar pomeni da
ima točka T absciso
∣T0T ∣ = b = a 3radic2
Kocka z robom b ima prostornino b3 = 2a3 torej dvakratnik prostornine
kocke z robom a
Grška beseda καμπύλος pomeni rdquokriv zavit upognjenrdquo v ženski ob-
liki καμπύλη beseda γραμμή pa rdquočrta potezardquo Polno ime krivulje je v
grščini καμπύλη γραμμή torej rdquokriva črtardquo na kratko so jo poimenovali kar
rdquokampilardquo kateri so dodali še Evdoksovo ime Evdoks iz Knida (408ndash355
pnš) Εὔδοξος ὁ Κνίδιος je bil starogrški matematik in astronom Bil je
Arhitov učenec v Tarentu grško Τάρας in Platonov na Akademiji v Ate-
nah Obiskal je tudi Sicilijo in Egipt Kasneje je ustanovil svojo šolo v
Kiziku grško Κύζικος ob Mramornem morju ali Propontidi grško Προ-
ποντίς Pomemben je njegov doprinos v teoriji razmerij in nesoizmerljivih
količin kar je uporabil Evklid Εὐκλείδης v svojih Elementih Στοιχεῖα
69
Grška beseda εὔδοξος pomeni med drugim rdquosloveč slaven ugledenrdquo
V astronomiji je Evdoks zagovarjal geocentrični svetovni sistem in za
pojasnitev gibanja planetov in Lune uvedel sistem koncentričnih sfer ki
se vrtijo ena v drugi S tem v zvezi je uvedel še eno krivuljo ki jo poznamo
pod imenom rdquoEvdoksova hipopedardquo
Problem podvojitve kocke je na svojevrsten način s torusom valjem
in stožcem rešil pitagorejec in vojaški poveljnik Arhitas iz Tarenta v južni
Italiji grško Αρχύτας ὁ Ταραντίνος rojen med letoma 435 in 410 umrl
pa med letoma 360 in 350 pnš Morda je Evdoks Arhitovo prostorsko
rešitev problema podvojitve kocke poenostavil na reševanje v ravnini in
tako prišel do svoje kampile Dokazano to ni nikjer ve se le da mu je
rešitev uspelo najti z neko krivuljo Način reševanja pa je podoben reše-
vanju z Uhlhornovo toksoido ki ima tudi podobno enačbo v polarni obliki
(ϕ) = acos3ϕ
Tako Uhlhornova toksoida kot Evdoksova kampila spadata v skupino
Clairautovih krivulj = acosnϕ ali = asinnϕ Če je n racionalno število
je Clairautova krivulja algebrska Alexis Claude Clairaut (1713ndash1765) je
bil francoski matematik in astronom
Evdoksovo kampilo brez izolirane toke O parametriziramo kar s po-
larnim kotom
x(ϕ) =a
cosϕ y(ϕ) =
asinϕcos2ϕ
Njena ukrivljenost κ(ϕ) se izraža v obliki
κ(ϕ) =cos3ϕ(3sin2ϕ minus1)
a(3sin2ϕ +1)32
Ukrivljenost spremeni predznak pri kotu ϕ za katerega je 3sin2ϕ minus1 = 0
V takih točkah ima krivulja prevoje Evdoksova kampila ima štiri in sicer
70
Slika 43 Desna veja Evdoksove kampile prevoja in pritisnjena krožnica
v točkah (plusmnaradic
62plusmnaradic
32) Strmini tangent v teh točkah sta plusmn2radic
2 Os x
presekata za desno vejo v točki G(3aradic
680) Krivinski polmer v točkah
D inDprime je enak a Središče pritisnjene krožnice v točkiD je v točki S(2a0)
Približno ujemanje krivulje tangent v prevojih Pplusmn in pritisnjene krožnice v
temenu D kaže slika 43 Ujemanje bi lahko izkoristili za približno podvo-
jitev kocke Če namesto Evdoksove kampile vzamemo kar njeno tangento
y = 2radic
2(xminusaradic
62)+aradic
32
v prevoju v prvem kvadrantu in poiščemo absciso ξ presečišča s krožnico
x2 +y2 = 2ax dobimo
ξa=
118
radic
24radic
6minus23+
radic6
3+
19≐ 1259956951
namesto točnejše vrednosti
3radic
2a
≐ 1259921049
71
Če bi podoben račun naredili za Uhlhornovo toksoido ki se v prevojih
tudi približno ujema s tangentama bi dobili slabši rezultat
Zgoraj opisani približek lahko izkoristimo za precej natančno evklid-
sko konstrukcijo roba b podvojene kocke z robom a V koordinatnem sis-
temu Oxy narišemo krožnico s polmerom a s središčem v točki D(a0)
skozi O pa konstruiramo premico p z naklonskim koeficientom k = 2radic
2
Na abscisni osi konstruiramo točkoG(3aradic
680) in skoznjo premico q vz-
poredno s p Presečišče te premice s krožnico je točka T njena pravokotna
projekcija na os y pa točka T0 Razdalja b = ∣T0T ∣ je dober približek za
a 3radic
2 (slika 44) Pri tem izkoristimo izraza za diagonalo kvadrata in višino
enakostraničnega trikotnika v katerih nastopataradic
2 inradic
3 s kombinacijo
obeh pa šeradic
6 Podrobnosti so izpuščene z malo truda lahko konstrukcije
izvede vsak sam
Slika 44 Približna podvojitev kocke
Zrcalno sliko Evdoksove kampile (11) na krožnici x2 + y2 = a2 takoj
dobimo iz polarne oblike njene desne veje lowast(ϕ) = acos2ϕ Z zapisom v
pravokotnih kartezičnih koordinatah dobimo implicitno obliko za celotno
prezrcaljeno krivuljo
(x2 +y2)3 = a2x4
72
Krivulja je algebrska šeste stopnje Simetrična je glede na obe koordinatni
osi Njeni največji odkloni od osi x so pri polarnih kotih ϕ za katere je
3sin2ϕ = 1 to je v točkah (plusmn2aradic
69plusmn2aradic
39) kjer ima krivulja vodo-
ravni dvojni tangenti
Slika 45 Zrcaljenje Evdoksove kampile na krožnici
Nova krivulja spada med Clairautove Ploščina P obeh delov jajčastih
oblik je
P = 4 sdota2
2 intπ2
0cos4ϕdϕ = 2a2 sdot
34
sdotπ2=
3πa2
8
Problem podvojitve kocke grško διπλασιασμός τοῦ κύβου ali deloški
problem poimenovan po grškem otoku Delosu v Egejskem morju je reše-
valo več grških geometrov ki so celo skušali izdelati v ta namen posebno
orodje Platon je pograjal Evdoksove Arhitove in Menajhmove učence
češ da njihovi napori kvarijo kar je dobrega v geometriji Nastal je celo
epigram (puščica zbadljivka) v zvezi s podvojitvijo kocke ki je zapisan v
Evtokijevih komentarjih k Arhimedovi razpravi rdquoO krogli in valjurdquo grško
Περὶ σφαίρας καὶ κυλίνδρου Matematik in neoplatonist Evtokij iz Aškalona
v Palestini Εὐτόκιος ὁ Ασκαλονίτης je bil poznoantični matematik rojen
73
okoli leta 480 umrl pa je okoli leta 520 O njem se ve bore malo Nekaj
časa je deloval v Atenah nazadnje pa v Aleksandriji Napisal je tudi ko-
mentarje k Apolonijevi razpravi rdquoStožnicerdquo v grščini Κωνικά Na stožnice
se je v srednjem kar nekoliko pozabilo zanimanje zanje je spet oživelo
šele v času Keplerja in Newtona ko je bil potreben opis gibanja planetov
v heliocentričnem svetovnem sistemu
Navedimo omenjeni epigram v grščini in v prevodu S Weiss (vzeto iz
obsežnega knjižnega dela v treh delih [3])
Μηδὲ σύ γrsquo Αρχύτεω δυσμήχανα ἔργα κυλίνδρων
μηδὲ Μεναιχμείους κωνοτομεῖν τριάδας
διζήσηι μηδrsquo εἴ τι θεουδέος Εὐδόξοιο
καμπύλον ἐν γραμμαῖς εἶδος ἀναγράφεται
Težkih Arhitovih del s cilindri nikar ne posnemaj
stožnic Menajhmovih treh nikdar izsekal ne boš
niti ne boš spoznal če božanskega črte Evdoksa
res zarišejo lik tak iz zavitih kampil
Videli smo kaj vse se da povedati o neki krivulji če obvladamo in-
finitezimalni račun Seveda nam je to sedaj ko imamo na voljo najnovejše
pripomočke in obsežno ter dostopno matematično literaturo veliko laže
kot je bilo matematikom v 17 stoletju ko so v marsičem še orali ledino
Pomembni znanstveniki rojeni v 17 stoletju
Navedimo nekaj pomembnih znanstvenikov predvsem matematikov fizi-
kov in astronomov ki so se rodili v 17 stoletju Razvrščeni so po letnicah
74
rojstva Veliko podatkov dobimo v [1 5] in na svetovnem spletu
Gilles Personne de Roberval (1602ndash1675)
Pierre de Fermat (1607ndash1665)
Giovanni Alfonso Borelli (1608ndash1679)
Evangelista Torricelli (1608ndash1647)
John Pell (1610ndash1685)
Johann Hevel (1611ndash1687)
Frans van Schooten (1615ndash1660)
Carlo Renaldini (1615ndash1698)
John Wallis (1616ndash1703)
Henry Oldenburg (1618ndash1677)
Michelangelo Ricci (1619ndash1682)
William Brouncker (1620ndash1684)
Edmeacute Mariotte (1620ndash1684)
Jean Picard (1620ndash1682)
Vincenzo Viviani (1622ndash1703)
Reneacute-Franccedilois de Sluse (1622-1685)
Blaise Pascal (1623ndash1662)
Giovanni Domenico Cassini (1625ndash1712)
Robert Boyle (1627ndash1691)
Christiaan Huygens (1629ndash1695)
Isaac Barrow (1630ndash1677)
Ehrenfried Walther von Tschirnhaus (1631ndash1708)
Christopher Wren (1632ndash1723)
Johann Hudde (1633ndash1704)
Robert Hooke (1635ndash1703)
75
William Neile (1637ndash1670)
James Gregory (1638ndash1675)
Philippe de la Hire (1640ndash1719)
Isaac Newton (1643ndash1727)
Olaus Roslashmer (1644ndash1710)
Gottfried Wilhelm Leibniz (1646ndash1716)
Denis Papin (1647ndash1712)
Michel Rolle (1652ndash1719)
Pierre Varignon (1654ndash1722)
Jacob Bernoulli (1655ndash1705)
Edmund Halley (1656ndash1742)
Guillaume Franccedilois Antoine LrsquoHocircpital (1661ndash1704)
David Gregory (1661ndash1708)
Abraham de Moivre (1667ndash1754)
Johann Bernoulli (1667ndash1748)
Jacopo Francesco Riccati (1676ndash1754)
Giulio Carlo Fagnano (1682ndash1766)
Roger Cotes (1682ndash1716)
Reneacute Antoine Reacuteaumur (1683ndash1757)
Greacutegoire de Saint-Vincent (1584ndash1667)
Brook Taylor (1685ndash1731)
Gabriel Daniel Fahrenheit (1686ndash1736)
Colin Maclaurin (1698ndash1746)
Pierre Louis Moreau de Mapertuis (1698ndash1759)
76
Viri
[1] I Asimov Biografska enciklopedija znanosti in tehnike Tehniška za-
ložba Slovenije Ljubljana 1978
[2] J Bair V Henry Sluse ses perles et son algorithme Losanges 14
(2011) str 14ndash18 httphdlhandlenet2268100155 (videno 10
7 2021)
[3] G Kocijančič (urednik) Fragmenti predsokratikov Študentska za-
ložba Ljubljana 2012
[4] G Loria Spezielle algebraische und transscendente ebene Kurven
Teubner Leipzig 1902
[5] U C Merzbach C B Boyer A History of Mathematics John Wiley amp
Sons Hoboken New Jersey 2011
[6] J J OrsquoConnor E F Robertson Reneacute Franccedilois Walter de Sluze MacTu-
tor
httpsmathshistoryst-andrewsacukBiographiesSluze
(videno 10 7 2021)
[7] B von Pape Von Eudoxus zu Uhlhorn Books on Demand Norderstedt
2019
[8] M Razpet Pomnožitev hiperkocke Obzornik mat fiz 68 (2021) št 1
str 1-9
[9] M Razpet in N Razpet Prepogibanje papirja podvojitev kocke in
Slusova konhoida Obzornik mat fiz 67 (2020) št 2 str 41-51
77
[10] Y Renotte Reneacute de Sluze dialogues avec Christiaan Huygens
Bulletin de lrsquouniversiteacute du 3e acircge - Liegravege 23 (2021) 4 strani
httphdlhandlenet22682596400 (videno 10 7 2021)
[11] R F Slusius Mesolabum seu duaelig mediaelig proportionales inter ex-
tremas datas per circulum et ellipsim vel hyperbolam infinitis modis
exhibitaelig Leodii Eburonum Liegravege 1659
[12] R F Slusius Mesolabum seu duaelig mediaelig proportionales inter ex-
tremas datas per circulum et per infinitas hyperbolas vel ellipses et
per quamlibet exhibitaelig ac problematum omnium solidorum effectio
per easdem curvas Leodii Eburonum Liegravege 1668
[13] D Uhlhorn Entdeckungen in der houmlhern Geometrie theoretisch und
practisch abgehandelt Schulzersquosche Buchhandlung Oldenburg 1809
[14] I Vidav Algebra Mladinska knjiga Ljubljana 1972
Avtor se zahvaljuje prof dr Milanu Hladniku za strokovni pregled
copy(2021) Marko Razpet
78
28 Pritisnjeni krožnici na krivuljo K v točki O 50
29 Toksoida 51
30 Konstrukcija točk toksoide 52
31 Konstrukcija srednjih geometrijskih sorazmernic s toksoido 53
32 Prevoja toksoide T in pritisnjena krožnica v točki D 54
33 Inverzna slika T lowast toksoide T 55
34 Nekaj krivulj Hm 58
35 Krivulja H4 in pomnožitev roba trirazsežne kocke 59
36 Nekaj krivulj Cm 60
37 Krivulja C4 in pomnožitev roba 5-razsežne hiperkocke 61
38 Telo nastalo z zasukom lika med krivuljo C2 in njeno asimptoto
okoli te asimptote 63
39 Telo nastalo z zasukom lika med krivuljo C2 in njeno asimptoto
okoli osi y 65
40 Telo nastalo z zasukom lika ki ga omejuje H4 okoli osi y 66
41 Konstrukcija točk Evdoksove kampile 68
42 Podvojitev kocke z Evdoksovo kampilo 69
43 Desna veja Evdoksove kampile prevoja in pritisnjena krožnica 71
44 Približna podvojitev kocke 72
45 Zrcaljenje Evdoksove kampile na krožnici 73
4
Predgovor
V prispevku bomo spoznali življenje in delo valonskega matematika in
kanonika de Slusa ki je po svoje zaznamoval buren razvoj matematike 17
stoletja V njegovem času je velik napredek doživel infinitezimalni račun
in uvedli so ustrezne matematične oznake ki jih uporabljamo še danes
Družbeni in ekonomski razvoj uveljavljanje heliocentričnega svetovne-
ga sistema geografska odkritja in z njimi povezana orientacija na morju
potrebe po točnem merjenju časa velika uporaba orodij in strojev razvoj
gradbeništva in geodezije in drugo so terjali čedalje bolj natančno in hitro
računanje Naraščalo je zanimanje za geometrijo astronomijo reševanje
enačb reševanje fizikalnih problemov in uporabo logaritmov Nastajala
so nova matematična področja na primer teorija verjetnosti infinitezi-
malni račun in variacijski račun Znanstveniki so si med seboj dopisovali
se obiskovali in tako širili nove ideje in teorije Nastajale so znanstvene
akademije kot protiutež univerzam kjer je še vedno prevladovala sholasti-
čna misel Ustanavljale so se znanstvene revije ki so zagotavljale večji
pregled nad avtorstvom novih odkritij in zamisli
Kdo je bil Reneacute-Franccedilois de Sluse
Čeprav je o de Slusu napisanega precej pa ni toliko znan znanstvenik kot
bi moral biti Veliko izvemo o njem na primer v [2 5 6 10] od kjer so
vzeti podatki ki sledijo v nadaljevanju
Reneacute-Franccedilois Walter de Sluse (včasih tudi Reneacute de Sluze latinsko Re-
natus Franciscus Slusius ali preprosteje kar Reneacute Sluse izgovarjamo pa
njegov priimek kot rdquosluumlzrdquo) se je rodil 2 julija 1622 v Viseacuteju ob reki Meuse
5
sedaj v valonskem delu Belgije v provinci Liegravege blizu meje med Belgijo
in Nizozemsko v bogati in omikani družini Njegova domovina je takrat
spadala pod Špansko Nizozemsko V tistih krajih so zemljepisna imena
v tamkajšnjih jezikih različna na primer de Slusov rojstno mesto ki je v
francoščini Viseacute je v nizozemščini Wezet v nemščini Wezen in v latinščini
Villa Viesato Prav tako glavno mesto province Liegravege oziroma do 1949
Lieacutege v francoščini Luik v nizozemščini Luumlttich v nemščini in Leodium
v latinščini Prav tako reka ob kateri ležita ti dve mesti Meuse v fran-
coščini Maas v nizozemščini in nemščini ter Mosa v latinščini
Slika 1 Reneacute-Franccedilois Walter de Sluse
Po študiju prava na Katoliški univerzi v Leuvenu med letoma 1638
in 1642 (francosko Louvain nemško Loumlwen) je odšel v Rim kjer je ostal
nekaj let in si že leta 1643 prislužil naziv doktorja prava na rimski univerzi
6
La Sapienza nato pa je imel priložnost študirati v Italiji teologijo filo-
zofijo zgodovino matematiko fiziko astronomijo in jezike (baje je znal
tudi grško hebrejsko arabsko in sirsko)
Slika 2 Viseacute na zemljevidu iz sredine 19 stoletja
Katoliška univerza v Leuvenu je najstarejša univerza na ozemlju današ-
njega Beneluksa ustanovljena leta 1425 Univerza La Sapienza (rdquosapienzardquo
pomeni v italijanščini znanje) je bila ustanovljena kot papeška univerza
leta 1303 v zadnjem letu vladanja papeža Bonifacija VIII Ime je dobila
po stavbi v katero se je naselila Po doktoratu je de Sluse nekaj časa služil
papežema Inocencu X in Aleksandru VII kot tajnik Zadolžen je bil za to
da je papeške uradne dokumente na primer papeške bule obrazložil lju-
dem na razumljiv način Papežu Inocencu X je z znanjem jezikov pogosto
prevajal pisma ki so bila namenjena škofom na Grškem in v Armeniji
V Rimu se je de Sluse srečal s priznanimi takratnimi znanstveniki med
katerimi sta bila tudi B Cavalieri ki je s svojim delom nekako napovedal
integralski račun in E Torricelli
Leta 1650 je bil imenovan za kanonika kolegijske cerkve v Viseacuteju čeprav
je bilo to imenovanje le nominalno da bi mu zagotovilo dohodke Ni se
mu bilo treba takoj vrniti v Viseacute ampak je ostal še malo v Rimu ki ga je
7
zapustil naslednje leto ko ga je papež Inocenc X imenoval za kanonika v
katedrali sv Lamberta v Liegravegeu Zaradi svojega znanja prava je v Cerkvi
hitro napredoval in kmalu se je povzpel na vplivne položaje Leta 1659
je postal član zasebnega sveta katedrale v Liegravegeu leta 1666 pa kot cis-
tercijanski duhovnik opat opatije La Paix Dieu v Amayu (valonsko Ama)
jugozahodno od Liegravegea Bil je tudi zasebni svetovalec koumllnskega nadškofa
in volilnega kneza Svetega rimskega cesarstva tudi škofa v Liegravegeu Mak-
similijana Henrika Bavarskega (1621ndash1688) Umrl je 19 marca 1685 v
Liegravegeu
Reneacutejev brat Johannes Walter (1628ndash1687) se je v cerkveni hierarhiji
leta 1686 povzpel vse do kardinala Rojen je bil prav tako v Viseacuteju umrl pa
je v Rimu kjer je tudi pokopan in sicer v cerkvi Santa Maria dellrsquoAnima
Beseda rdquohierarhijardquo je grškega izvora Njen prvi del izhaja iz besede
ἱερός kar pomeni rdquosvet posvečen božjirdquo drugi del pa iz besede ἀρχός kar
pomeni rdquoprvak gospodar vladarrdquo
Omenjena kolegijska cerkev je naziv za tiste cerkve v katerih je Sveti
sedež ustanovil kapitelj ali kolegij klerikov (duhovnikov) imenovanih ka-
noniki Namen te ustanove je bil narediti bolj slovesno bogoslužje v cerk-
vah izbranega določenega pomena Ustanovitev posodobitev ali ukinitev
kolegijskih cerkva je bil v pristojnosti Svetega sedeža
Kanonik je v katoliški cerkvi dostojanstvenik član stolnega kapitlja
škofov svetovalec izvedenec za cerkveno pravo Sama beseda kanonik
izhaja iz grške κανών kar pomeni rdquovzorec predpis pravilo vodilordquo
Zaradi zahtevnih cerkvenih dolžnosti de Sluse ni imel več priložnosti
potovati toliko kot bi si želel Da bi zadovoljil svojo veliko intelektu-
alno radovednost si je stalno dopisoval z nekaterimi velikimi evropskimi
učenjaki B Pascalom C Huygensom P Fermatom R Boylom J Gre-
8
goryjem M Riccijem J Wallisom in H Oldenburgom Tako je lahko
izražal svoje ideje je pa zaradi drugega dela malo objavljal H Olden-
burg je bil tista leta tajnik Kraljevega društva v Londonu katerega član
je de Sluse postal leta 1674 Oldenburg je de Slusove zamisli posredoval
neposredno angleškim učenjakom in drugim članom kot je bilo takrat v
navadi Do njih je prišlo skoraj 80 pisem izmenjanih med letoma 1667
in 1676 De Slusovo korespondenco je leta 1884 objavil matematik C Le
Paige iz Liegravegea S tem je de Slusovo znanstveno delo postalo širše znano
De Sluse je umrl 19 marca 1685 v Liegravegu ravno tistega leta ko se je začel
spor med Newtonom in Leibnizem glede tega kdo je avtor infinitezimal-
nega računa Pokopali so ga v kolegijski cerkvi v Viseacuteju v bližini njegovih
staršev Družinski mavzolej je obstajal do 14 avgusta 1914 ko je nemška
vojska požgala kolegijsko cerkev sv Martina in sv Hadelina V kolegijski
cerkvi v Viseacuteju je ob levem stranskem oltarju spominska plošča ki govori
o slavnem prebivalcu Viseacuteja iz 17 stoletja kanoniku Reneacuteju-Franccediloisu
de Slusu Mesti Viseacute in Liegravege sta mu posvetili ulici Rue de Sluse mesto
Bassenge zahodno od Viseacuteja pa pot Chemin de Sluse
Matematične teme ki jih je obravnaval de Sluse so bile povezane z
znanstvenimi interesi tistega časa Po eni strani so bili geometrijski prob-
lemi ki segajo v čas Evklida in Arhimeda oživljeni v drugi polovici 16
in prvi polovici 17 stoletja Zlasti Cavalieri je razvil teorijo nedeljivih
količin ki je imela določen vpliv na razvoj matematične analize Po drugi
strani pa se je približno v istem času ko se je začela razvijati algebra po
zaslugi F Viegraveta ki je uvedel algebrski jezik in predvsem R Descartesa
in njegovega dela rdquoLa Geacuteomeacutetrierdquo zelo povečalo zanimanje za geometrijo
Združitev teh dveh tokov je de Slusa in številne druge matematike njego-
vega časa pripeljal do tega da so se začeli zanimati za geometrijske last-
9
Slika 3 Mesolabum druga izdaja 1668
nosti analitično definiranih krivulj predvsem algebrskih pa tudi spiral in
cikloid ki so bile takrat modne teme Pomembni problemi v tistih časih so
bili kako definirati in konstruirati tangento na krivuljo kako izračunati
ploščino lika ki ga ograjuje taka krivulja kako izračunati njeno dolžino
in kako izračunati prostornino in površino teles ki niso omejena samo z
ravninskimi ali sferičnimi liki G W Leibniz je pri de Slusu in Descartesu
našel marsikatero idejo pri razvoju infinitezimalnega računa in analitične
geometrije Ni čudno da je Huygens v nekem v pismu H Oldenburgu
dal o de Slusu naslednje mnenje rdquoSlusius eotilde geometrarum quos novi
omnium doctissimus candidissimusquerdquo rdquoSluse je od geometrov kar jih
poznam najbolj učen in jasenrdquo
10
Prav tako so bili v de Slusovem času še vedno aktualni problemi reše-
vanja algebrskih enačb tretje in četrte stopnje čeprav so to znali že itali-
janski matematiki S del Ferro N Tartaglia G Cardano in L Ferrari Še
vedno pa so bili živi antični problemi kvadrature kroga trisekcije kota in
podvojitve kocke s katerimi so se ubadali grški geometri Kot je znano gre
pri problemu podvojitve kocke za konstrukcijo kocke s prostornino ki je
dvakrat večja od prostornine dane kocke Problema se ne da rešiti z neoz-
načenim ravnilom in šestilom kot si je zamislil Platon pač pa s pomočjo
nekaterih algebrskih krivulj ali pa s posebnimi mehanskimi napravami
De Sluse je obravnaval geometrijsko reševanje algebrskih enačb tretje in
četrte stopnje z uporabo presečišč stožnic Descartes je pokazal da se
problem lahko rešuje z iskanjem presečišč parabole in krožnice de Sluse
pa je pokazal da lahko parabolo nadomestimo s katerokoli stožnico kar
se je izkazalo za veliko bolj prilagodljivo in elegantno kot Descartesova
metoda Svojo metodo je pod velikim vplivom Viegravetovih in drugih del
razvil v delu rdquoMesolabumrdquo (1659) še posebej v njegovi drugi izdaji (1668)
Celotna naslova izdaj nista popolnoma identična (glej [11 12]) Razvil je
tudi postopek za iskanje subtangente in s tem tangente katerekoli alge-
brske krivulje in to brez uporabe odvoda funkcije kakršnega poznamo
dandanes
Na sliki 3 opazimo v letnici izdaje de Slusovega Mesolabuma tudi malo
drugačen zapis rimskih številk za 500 in 1000 Navajeni smo ju pisati v
obliki D in M Namesto D so svoj čas pisali I in narobe obrnjen C torej
I C kar je skoraj D Za M pa CI C Število I Cje druga polovica od CI C
kar je v soglasju z dejstvom da je 500 polovica od 1000 Razlog za tako
pisavo sega v čas starih Grkov Etruščanov in Rimljanov Baje so nekoč
uporabljali za 1000 črko Φ iz katere se je razvila oznaka CI C iz te pa M
11
Eratostenov mesolabum
Beseda rdquomesolabumrdquo je zelo stara Izvira iz grške besede μεσολάβος (morda
tudi iz μεσολάβον) ki je v antiki pomenila posebno geometrijsko orodje
za določevanje prve in druge srednje geometrijske sorazmernice Beseda
izvira iz grške μέσος kar pomeni rdquosrednjirdquo in λαμβάνω kar pomeni rdquovza-
mem primem zgrabim pograbim popadem ulovimrdquo Glagolska os-
nova je λαβ- je tista iz katere izhajata nedoločnik λαβεῖν in aorist λάβον
Mesolabum je potemtakem tisto s čimer lovimo sredino lovilec sredin
Podobna beseda je rdquoastrolabrdquo starodavna astronomska naprava za določe-
vanje položaja zvezd v grščini ἀστρολάβον ὄργανον
V grških besedilih je glagol λαμβάνω eden od osnovnih in kot tak zelo
pomemben V taki ali drugačni obliki je zato zelo pogost Za primer
navedimo iz Odiseje (XXIV 397ndash399 prevod A Sovregrave )
ὣς ἄρ ἔφη Δολίος δv ἰθὺς κίε χεῖρε πετάσσας
ἀμφοτέρας ᾿Οδυσεῦς δὲ λαβὼν κύσε χεῖρv ἐπὶ καρπῷ
καί μιν φωνήσας ἔπεα πτερόεντα προσηύδα
To je dejal Približa se Dolios rok mu razpetih
prime gospoda v zapestju roko mu ginjen poljubi
z glasom obrne se k njemu pa reče krilate besede
V latinščini imenujejo mesolabum tudi rdquomesolabiumrdquo kar se čudno
sliši ker beseda rdquolabiumrdquo pomeni ustnica Iz besede rdquolabiumrdquo so izvedene
še druge V fonetiki imamo glasove ki jih sooblikujemo z ustnicami in se
zato imenujejo rdquolabialirdquo na primer rdquoprdquo in rdquobrdquo
12
Mesolabum je iznašel Eratosten iz Kirene (276ndash195 pnš) grško ᾿Ερα-
τοσθένης ὁ Κυρηναῖος ki je deloval v Aleksandriji kot vodja tamkajšnje
slavne knjižnice ki je bila del Muzejona hiše učenosti in umetnosti grško
Μουσεῖον τῆς Αλεξανδρείας in je najbolj znan po svojem situ za iskanje
praštevil in po izračunu velikosti Zemlje Pri mesolabumu gre za to kako
mehansko določiti prvo in drugo srednjo geometrijsko sorazmernico x in
y daljic a in b kjer je 0 lt a lt b Srednji geometrijski sorazmernici x in y
morata zadoščati relacijiax=xy=y
b (1)
Če označimo te tri kvociente z λ in jih med seboj zmnožimo dobimo
axsdotxysdoty
b=ab= λ3
To pomeni da je
λ = 3
radicab x =
3radica2b y =
3radicab2
Pri tem velja relacija a lt x lt y lt b ki je posledica relacije
a3 = a2a lt a2b = aab lt abb = ab2 lt bb2 = b3
iz katere sledi po kubičnem korenjenju a lt3radica2b lt
3radicab2 lt b Zato lahko
rečemo da sta x in y sredini daljic a in b saj sta med a in b
Za b = 2a je x = a 3radic
2 in y = a 3radic
4 To pomeni da se s tem posreči pod-
vojiti in početveriti kocko Kocka z robom x ima namreč dvakrat kocka z
robom y štirikrat večjo prostornino kot kocka z robom a in dvakrat večjo
kot kocka z robom x ker je x3 = 2a3 in y3 = 4a3 = 2x3 Prvi ki je prišel na
idejo poiskati srednji geometrijski sorazmernici x in y za a in b = 2a je bil
v 5 stoletju pnš živeči Hipokrat z otoka Hios v grščini ῾Ιπποκράτης ὁ
Χῖος Skušal je rešiti problema podvojitve kocke in kvadrature kroga
13
Eratosten je bil nad svojim izumom mesolabuma tako navdušen da je
en primerek baje daroval v nekemu templju sicer pa ga je posvetil kralju
Ptolemaju III (284ndash222 pnš) imenovanemu tudi Ptolemaj Dobrotnik
grško Πτολεμαῖος Εὐεργρέτης
Slika 4 Osnovni elementi Eratostenovega mesolabuma
Sedaj je čas da opišemo Eratostenov mesolabum Njegov je bil sicer
izdelan iz lesa slonove kosti in kovin mi pa si ga bomo ogledali she-
matično geometrijsko uporabljajoč pravokotnike trikotnike daljice pre-
mice točke razmerja in sorazmerja
V ravnini so postavljeni skladni pravokotniki A1B1C1D1 A2B2C2D2 in
A3B3C3D4 s stranicami A1B1 A2B2 in A3B3 na skupni premici na kateri
ostanejo ves čas v nadaljevanju opisanega postopka Vse stranice pra-
vokotnikov pravokotne na to premico imajo dolžino b Dolžina pre-
ostalih stranic ni pomembna Na stranici B3C3 izberemo točko T tako
da je ∣B3T ∣ = a Prvi pravokotnik je negiben preostala dva pa lahko dr-
sita po premici tako da se tretji lahko skrije pod drugega drugi pa pod
prvega S tem lahko gibljiva dva postavimo tako da dobimo daljice dolžin
14
x in y ki skupaj z a in b zadoščajo relaciji (1) Pravokotniki so razdeljeni z
med seboj vzporednimi diagonalami na pravokotne trikotnike (slika 4)
Slika 5 Premik pravokotnikov Eratostenovega mesolabuma
Ko premikamo drugi pravokotnik pod prvega njegova diagonala B2D2
prej ali slej seka stranico B1C1 negibnega pravokotnika denimo v točki
E Ko pa premikamo tretji pravokotnik pod drugega njegova diagonala
B3D3 prej ali slej seka stranico B2C2 drugega pravokotnika denimo v točki
F Cilj premikanja pravokotnikov sem in tja je doseči kolinearnost točk
D1EF in T Kot bomo kmalu videli takrat x = ∣B2F∣ in y = ∣B1E∣ ustrezata
relaciji (1)
Kolinearnost točk D1EF in T dosežemo s postopkom ki mu učeno
rečemo rdquoiteracijardquo Malo premaknemo drugi pravokotnik nato malo tret-
jega pa zopet drugega itd dokler s svojo spretnostjo ne dosežemo zado-
voljive natančnosti V natančni legi označimo u = ∣B1D1∣ v = ∣B2E∣ in
w = ∣B3F∣ Te daljice so med seboj vzporedne (slika 6) in zaradi podob-
nosti trikotnikov A1B1D1 B1B2E in B2B3F ter trikotnikov B1ED1 B2FE in
15
Slika 6 Končna lega pravokotnikov Eratostenovega mesolabuma
B3T F dobimo sorazmerja
bu=y
v=xwy
u=xv=aw
iz katerih sledijo relacije
xw = av xv = yw yv = ux bv = uy
Iz prve druge tretje in četrte dobimo po vrsti
ax=wvwv=xyxy=vuvu=y
b
Sedaj je nedvomno razvidno da je res
ax=xy=y
b
Tako lahko z Eratostenovo napravo najdemo prvo in drugo srednjo ge-
ometrijsko sorazmernico daljic a in b Podobno bi lahko našli tudi več
srednjih geometrijskih sorazmernic daljic a in b
16
So pa matematiki že davno odkrili da se da srednji geometrijski so-
razmernici najti tudi s parabolama Iz relacije (1) namreč sledita preprosti
zvezi
x2 = ay y2 = bx
V prvi spoznamo enačbo parabole ki ima za simetralo ordinatno os gorišče
v točki F(0a4) in vodnico y = minusa4 v drugi pa enačbo parabole ki ima za
simetralo absciso os gorišče v točki G(b40) in vodnico x = minusb4 (slika 7)
Slika 7 Do srednjih geometrijskih sorazmernic s parabolama
Paraboli se sekata v točkah O(00) in A(3radica2b
3radicab2) Konstrukcijo je
odkril Menajhmos grško Μέναιχμος ki je živel v 4 stoletju pnš Prvi je
vpeljal stožnice kot preseke stožca z ravnino Teorijo stožnic je temeljito
obdelal Apolonij iz Perge (265ndash170 pnš) grško Απολλώνιος ὁ Περγαῖος
Njegove knjige so matematiki uporabljali še vse do Newtonovih časov
Prav tako pridemo do srednjih geometrijskih sorazmernic če poiščemo
presečišči parabole x2 = ay z goriščem F(0a4) in vodnico y = minusa4 ter
krožnice x2 + y2 = bx + ay ki ima središče v točki S(b2a2) in premer
17
Slika 8 Do srednjih geometrijskih sorazmernic s parabolo in krožnico
d =radica2 +b2 Parabola in krožnica se sekata v točkah O in A(
3radica2b
3radicab2)
(slika 8) kar potrdi preprost račun Opisano konstrukcijo je obvladal Reneacute
Descartes Menajhmos in Descartes sta pokazala da se z njunima kon-
strukcijama da rešiti problem podvojitve kocke Za b je treba v opisanih
postopkih vzeti 2a Pripomnimo še da je bila starogrška matematika
pretežno matematika razmerij in sorazmerij in tako je bilo še celo vrsto
stoletij Srednjo geometrijsko sorazmernico x daljic dolžin a in b tako
da velja a ∶ x = x ∶ b iz česar sledi x =radicab se da konstruirati z neoz-
načenim ravnilom in šestilom Spomnimo se na višinski izrek v pravokot-
nem trikotniku ki je pravzaprav posledica podobnosti dveh trikotnikov
na katera višina na hipotenuzo razdeli pravokotni trikotnik
Pri dveh srednjih geometrijskih sorazmernicah x in y pa se kot smo
videli pojavi kubični koren ki pa z omenjenima geometrijskima orodjema
ni konstruktibilen To so matematiki dokazali šele v 19 stoletju Do takrat
so problem skušali rešiti na druge načine in pri tem odkrili nove krivulje
tako da njihov trud le ni bil popolnoma zaman Geometrijski objekt bo za
18
nas rdquokonstruktibilenrdquo če se ga da konstruirati z neoznačenim ravnilom in
šestilom
Drugo de Slusovo delo
De Sluse še vedno velja za izjemno učenega človeka nadarjenega za mate-
matiko izumiteljstvo in posploševanje Njegovo ime je še danes povezano
z njegovimi konhoidami in perlami De Slusova konhoida (slika 9) ki ima
implicitno obliko
(xminus c)(x2 +y2)minus2cx2 = 0
je precej natančno obravnavana v članku [9]
Slika 9 Slusova konhoida
Reneacute de Sluse se ni ukvarjal le z matematiko ampak tudi z astronomijo
fiziko naravoslovjem in seveda teologijo Pogosto se je pritoževal nad
omejitvami ki so mu jih nalagale njegove verske in upravne funkcije
Ni veliko eksperimentiral ker za to ni imel posebnega veselja pa tudi
ne tehničnih možnosti Je pa predlagal drugim zlasti Huygensu da naj
naredijo tak ali drugačen eksperiment Z zanimanjem je bral prepovedane
19
knjige N Kopernika G Galileja in J Keplerja ter kritiziral prizadevanja za
obnovitev starih konceptov Pisal je že o ekscentričnosti v zvezi s Soncem
Zdi se da je za svoje izračune uporabljal oba sistema heliocentričnega
in geocentričnega Rad je opazoval zvezdnato nebo Tako v kemiji kot
drugje se je znašel na razpotju Prebral je modne knjige o alkimiji in
celo ponovil poskus sublimacije antimona v belo barvo vendar je bila nje-
gova razlaga odločno korpuskularna saj je uporabljal Boylove zamisli o
strukturi tekočega in trdnega stanja V podporo temu je izvajal poskuse
zamrzovanja različnih raztopin in študiral sestavo lojevca V medicinski
kemiji se je zanimal za zdravilne vode in jih tudi analiziral
V fiziki sta ga je posebej zanimala merjenje temperature in praktična
termometrija Če ne upoštevamo odkritij E Torricellija in B Pascala o
vplivu atmosferskega tlaka na zračni termometer je de Sluse leta 1664
izumil svoj termometer z voščeno kroglico pomešano s peskom ki se je
gibala v stekleni cevi zaprti na dnu napolnjeni s slano vodo tako da je
bila kroglica bolj ali manj potopljena v sredini cevi kar je opisal v pismih
Huygensu Kroglica je označevala vsako spremembo v zraku iz toplejšega
na hladnejše ko se je spuščala ali dvigala Huygens je odgovoril da je
njegov termometer prepočasen vendar je zanesljivejši od drugih istovrst-
nih termometrov ker je manj podvržen vplivu atmosferskega tlaka Žal
ni poznal florentinskega termometra ko je svojim dopisnikom vključno s
Huygensom in Oldenburgom povedal o svojem izumu Florentinski ter-
mometri so pomenili odločilen korak naprej pri merjenju temperature
Bili so prvi ki so omogočali natančne meritve Pred iznajdbo v Firencah
okoli leta 1650 so bili stari modeli zelo približni določali so ali je pred
nami nekaj hladnega ali vročega ne da bi lahko odčitali ali ocenili tem-
peraturo Razlika je v tem da je steklena cev zaprta tako da je vpliv tlaka
20
odpravljen Uporabljali so se predvsem petdesetstopinjski termometri
Taki termometri so večinoma služili za določanje nihanja temperature zra-
ka v zaprtih prostorih in na prostem Oblikovanje termometra je takrat
pomenilo tudi določitev njegove merilne lestvice vendar še brez Celzijevih
ali Fahrenheitovih stopinj Pri tem so bile stopinje enakomerno razpore-
jene med dvema skrajnostma in sicer med nivojem najhladnejše tekočine
pozimi (nizka točka) in nivojem najbolj vroče tekočine poleti (visoka točka)
Zaradi teh zelo relativnih vrednosti je primerjava meritev med dvema ter-
mometroma nezanesljiva Ob upoštevanju pripomb jo je večkrat spreme-
nil in jo ponovno predložil Oldenburgu do leta 1669 ko je R Boyle izrazil
negativno mnenje glede topnosti voska kroglic v slani tekočini Po tem da-
tumu termometer ni bil nikoli več omenjen De Sluse je zboljšal različne
instrumente ure številčnice barometre Ker ga je motilo prerekanje med
raziskovalci glede avtorstva odkritij je po Oldenburgovi smrti leta 1677
končal svojo znanstveno dejavnost
Šele v 18 stoletju so razvijali temperaturne merilne lestvice C Re-
naldini (1694) O C Roslashmer (1702) G Fahrenheit (1717) Reneacute-Antoine
F de Reacuteaumur (1730) in A Celsius (1741) Enota kelvin (K ndash v čast lordu
Kelvinu 1824-1907) osnovna enota mednarodnega sistema enot za tem-
peraturo je bila uvedena šele leta 1954
De Sluse je bil tudi zgodovinar Napisal je knjigo o smrti sv Lam-
berta škofa v Tongresu ki je bil ubit na kraju kamor je sv Hubert njegov
naslednik prenesel sedež svoje škofije Kraj se je kasneje razvil v Liegravege
Druga zgodovinska študija se nanaša na slavnega maastrichtskega škofa
sv Servacija Med de Slusovimi neobjavljenimi rokopisi je tudi zgodovina
Koumllna Pripomnimo še da je sv Hubert zavetnik lovcev matematikov
optikov in kovinarjev
21
O širini de Sluzovih interesov priča raznolikost tem ki so zajete na
več sto straneh njegovega dela neobjavljenih rokopisov ki jih zdaj hrani
Narodna knjižnica Bibliotheque Nationale v Parizu Čeprav se je ukvarjal
predvsem z matematiko njegovi rokopisi obravnavajo tudi astronomijo
fiziko in naravoslovje
De Slusove perle
Po de Slusu so po zaslugi B Pascala (več o tem v [4]) imenovane tudi
krivulje rdquode Slusove perlerdquo to so krivulje ki se v pravokotnem kartezi-
čnem koordinatnem sistemu Oxy izražajo z enačbo
ym = kxn(aminusx)p (2)
Pri tem so eksponenti mn in p naravna števila a in k pa pozitivni kon-
stanti Glede na parnost eksponentovmn in p formalno razlikujemo osem
možnosti od katerih imamo opravka s perlami le v primeru ko je m sodo
število s pravimi perlami pa v primeru ko je m sodo število n in p pa lihi
števili (slika 10) Skupno tem krivuljam so simetričnost glede na os x in
presečišča s to osjo pri x = 0 in x = a De Sluse je po svoje brez uporabe
odvoda izračunal da njegove perle dosegajo lokalne ekstreme največji
odstop od osi x med 0 in a za x = na(n+p)
V teh primerih je ploščina S lika ki ga ograjuje zanka perle enaka
S = 2k1mint
a
0xnm(aminusx)pmdx = 2k1ma(m+n+p)mint
1
0tnm(1minus t)pmdt
Integracijsko spremenljivko x smo zamenjali z novo spremenljivko t prek
relacije x = at da smo dobili obliko ki jo lahko izrazimo z Eulerjevima
22
Slika 10 Primeri de Slusovih perl
funkcijama B in Γ
S = 2k1ma(m+n+p)mB(nm+1pm+1) =
= 2k1ma(m+n+p)mΓ(nm+1)Γ(pm+1)
Γ((n+p)m+2)=
= 2k1ma(m+n+p)mnp
(m+n+p)(n+p)
Γ(nm)Γ(pm)
Γ((n+p)m)
Pri rotaciji okoli osi x ta lik v prostoru opiše telo s prostornino
V =πk2mint
a
0x2nm(aminusx)2pmdx =πk2ma(m+2n+2p)m
int
1
0t2nm(1minust)2pmdt
23
Slika 11 Zasuk de Slusove perle za m = 2n = 3p = 1k = 001 okoli osi x
Integracijsko spremenljivko x smo tudi to pot zamenjali z novo spremenljivko
t prek relacije x = at da smo dobili obliko ki jo lahko izrazimo z Eulerje-
vima funkcijama B in Γ
V =πk2ma(m+2n+2p)mB(2nm+12pm+1) =
=πk2ma(m+2n+2p)mΓ(2nm+1)Γ(2pm+1)Γ((2n+2p)m+2)
=
= 2πk2ma(m+2n+2p)m np
(m+2n+2p)(n+p)Γ(2nm)Γ(2pm)
Γ((2n+2p)m)
Poseben primer de Slusove perle
Natančneje bomo obravnavali de Slusovo perlo samo primer za m = n = 2
p = 1 in k = 1a to se pravi krivuljo K ki ima implicitno enačbo ay2 =
x2(a minus x) To pa zato ker se posamezne točke te krivulje da preprosto
konstruirati z osnovnim geometrijskim orodjem
24
Geometrijska konstrukcija in analitična obravnava
Do posameznih točk T krivulje K pridemo s preprosto geometrijsko kon-
strukcijo (slika 12) V pravokotnem kartezičnem koordinatnem sistemu
Oxy načrtamo premico x = a kjer je a pozitivna konstanta Skozi koordi-
natno izhodišče O potegnemo premico p ki ima enačbo y = tx in preseka
premico x = a v točki A(ata) Parameter t smerni koeficient premice p s
katerim je sorazmerna ordinata točkeA bomo kasneje spreminjali V točki
A na p postavimo pravokotnico q ki seka os x v točki B V B načrtamo na
q pravokotnico r ki seka premico x = a v točki C nazadnje pa skozi C še
pravokotnico s na r Presečišče premic p in s naj bo točka T (xy) Sedaj
bomo izrazili njeni koordinati x in y s parametrom t
Slika 12 Konstrukcija točke T de Slusove perle K
Premica q ima enačbo y = minus(x minus a)t + at in preseka os x v točki B(a +
at20) Premica r ima enačbo y = t(x minus aminus at2) in preseka premico x = a v
točki C(aminusat3) premica s pa enačbo y = minus(xminus a)t minus at3 Koordinati točke
T sta rešitvi sistema enačb
y = tx y = minusxminusat
minusat3
25
Po krajšem računu dobimo
x(t) = a(1minus t2) y(t) = at(1minus t2) (3)
To sta parametrični enačbi krivulje K Ko spreminjamo t po vseh realnih
vrednostih oziroma ko A drsi po premici x = a točka T (xy) opiše krivuljo
K (slika 13) z zanko ki spominja na perlo
Če si mislimo da je parameter t čas enačbi (3) predstavljata sestav-
ljeno gibanje točkaste mase v dveh med seboj pravokotnih smereh v koor-
dinatni ravnini v smeri osi x po pravilu prve enačbe v smeri osi y pa po
pravilu druge enačbe Tirnica takega gibanja je krivulja K Podoben le da
bolj preprost primer imamo tudi pri gibanju točkaste mase pri poševnem
metu
Slika 13 De Slusova perla K
Ko se t spreminja od zelo velikih negativnih vrednosti potuje T po
loku v drugem kvadrantu navzdol in doseže za t = minus1 prvič točko O Za
minus1 le t le 0 opiše lok v četrtem kvadrantu odO do temenaD(a0) za 0 le t le 1
opiše lok v prvem kvadrantu od D do točke O ki jo doseže drugič za t = 1
za t gt 1 pa se spusti po loku v tretjem kvadrantu navzdol
26
Če upoštevamo (3) dobimo
x2(t)(aminusx(t)) = a2(1minus t2)2 sdotat2 = a(at(1minus t2))2 = ay2(t)
To pomeni da je ay2 = x2(aminusx) implicitna enačba krivulje K in da je K al-
gebrska krivulja tretje stopnje Krivulja K je simetrična glede na os x Za
točke ki so zelo blizu koordinatnemu izhodiščuO je člen x3 zanemarljivo
majhen v primerjavi s kvadratnima členoma zato je tam enačba krivulje
K približno ay2 = ax2 oziroma (y minusx)(y +x) = 0 Ta enačba razpade na dve
y = x in y = minusx V točki O ima krivulja tangenti y = x in y = minusx ki se sekata
pravokotno V točki D je tangenta na krivuljo premica x = a Krivulja ima
na zanki dve glede na os x simetrično ležeči lokalno ekstremni točki v ka-
terih je tangenta vzporedna z osjo x To sta točki Mplusmn(2a3plusmn2aradic
39) De
Sluse jih je na svojevrsten način pravilno izračunal čeprav je bilo v nje-
govem času računanje z odvodi še v zametkih Da bi pravilnost ekstrem-
nih točk preverili brez odvoda uporabimo kvadrat ekstremne ordinate ki
je y2M = 4a227 in zapišimo izraz
ay2M minusx2(aminusx) = 4a327minusax2 +x3 = (xminus2a3)2(x+a3)
ki je za 0 lt x lt a nenegativen in enak 0 za x = 2a3 To pomeni da je
tedaj x2(a minus x) le 4a327 in največja ordinata na zanki krivulje je 2aradic
39
najmanjša pa minus2aradic
39 oboje pri x = 2a3 (slika 14)
Z uporabo odvoda gre vse veliko hitreje Ordinata y doseže ekstrem
takrat kot ay2 Zato je vseeno če poiščemo ekstrem enostavnejše funkcije
g(x) = x2(a minus x) = ax2 minus x3 Potreben pogoj za to je g prime(x) = 2ax minus 3x2 = 0
Dobimo stacionarni točki x1 = 0 in x2 = 2a3 Uporabimo še g primeprime(x) = 2aminus6x
Ker je g primeprime(x1) = 2a gt 0 in g primeprime(x2) = minus2a lt 0 ima funkcija g v točki x1 lokalni
minimum ki je enak 0 v točki x2 pa lokalni maksimum ki je enak 4a327
27
Slika 14 Lokalna ekstrema na de Slusovi perli K
Ekstremna točka na zanki kjer je tangenta vzporedna z osjo x je očitno
le v x2 kvadrat ekstremne ordinate je tedaj g(x2)a = 4a227 = 12a281
Ekstremni ordinati sta torej plusmn2aradic
39 pri abscisi 2a3
Abscise 2a3 ni težko geometrijsko konstruirati prav tako tudi ne or-
dinate 2aradic
39 ki je 29 razdalje ∣PminusP+∣ = aradic
3 kjer sta Pminus in P+ presečišči
krožnih lokov s središčema v točkahO inD in polmerom ∣OD ∣ To pomeni
da sta točki Pminus in P+ konstruktibilni
Če bi načrtali celotna krajša krožna loka med Pminus in P+ bi dobili med
njima lečast lik ki so mu nekoč rekli rdquovesica piscisrdquo kar dobesedno pomeni
rdquoribji mehurrdquo Lik je bil zelo znan v srednjeveški sakralni umetnosti
Čeprav v de Slusovem času še niso poznali odvoda funkcije v današn-
jem smislu so že vedeli zahvaljujoč Fermatu da ima funkcija v točki
lokalnega ekstrema vodoravno tangento
28
Spremljajoča parabola
Nastajanje krivulje K spremljajo še nekatere druge bolj ali manj znane
krivulje Najprej si oglejmo kaj dobimo če točko O pravokotno projici-
ramo na premice r in spreminjamo parameter t Dobljena projekcija naj
bo R (slika 15)
V prispevku se pogosto sklicujemo na povezavo med smernima koe-
ficientoma premice in pravokotnice nanjo Koeficienta sta si inverzna in
nasprotna Zato zlahka napišemo enačbo premice r in pravokotnice skozi
O nanjo
y = t(xminusaminusat2) y = minusxt
Njuno presečišče R ima koordinati
x(t) = at2 y(t) = minusat
Z izločitvijo parametra t dobimo y2 = ax kar pomeni da točke R pri spre-
minjanju točkeA po premici x = a opišejo parabolo rdquospremljajočo parabolordquo
ki ima gorišče v točki F(a40) in vodnico v z enačbo x = minusa4
Slika 15 De Slusova perla K in spremljajoča parabola
29
Ogrinjače
Ko drsi točka A po premici x = a premice s ogrinjajo neko krivuljo Ks
Premice s so v točki T krivulje K pravokotne na premice skozi O in T
Njeno enačbo dobimo po standardnem postopku Enačba premic s je
F(xyt) = y +xminusat
+at3 = 0
To je enoparametrična družina premic ki ogrinjajo krivuljo Ks imeno-
vano rdquoogrinjačardquo te družine (slika 16) V vsaki točki ogrinjače se jo dotika
ena premica v različnih točkah različne premice družine Enačbo njihove
ogrinjače v implicitni obliki dobimo tako da iz sistema enačb
Slika 16 De Slusova perla K in ogrinjače Ks Kq Kr
F(xyt) = 0partFpartt
(xyt) = 0
izločimo parameter t Iz enačbe
partFpartt
(xyt) = minus(xminusa)t2 +3at2 = 0
30
dobimo najprej xminusa = 3at4 kar vstavimo v prvo enačbo v sistemu in imamo
y = minus4at3 Dobili smo ogrinjačo v parametrični obliki
x(t) = a(1+3t4) y(t) = minus4at3
Izločimo t in enačba iskane ogrinjače Ks v implicitni obliki je pred nami
27y4 = 256a(xminusa)3
Ker je y dobljene krivulje sorazmeren s potenco (x minus a)34 lahko rečemo
da je ogrinjača premic s četrtkubična parabola
Podobno poiščemo ogrinjačo Kq premic q
F(xyt) = yt +xminusaminusat2 = 0partFpartt
(xyt) = y minus2at = 0
Ogrinjača v parametrični obliki je to pot
x(t) = a(1minus t2) y(t) = 2at
Z izločitvijo parametra t dobimo njeno enačbo v implicitni obliki
y2 = minus4a(xminusa)
Dobljena krivulja Kq je parabola z vodnico x = 2a in goriščem v točki O
(slika 16)
Nazadnje po enakem postopku kot doslej poiščemo še ogrinjačo Kr
premic r
F(xyt) = y minus tx+at +at3 = 0partFpartt
(xyt) = minusx+a+3at2 = 0
Ogrinjača v parametrični obliki je potem
x(t) = a(1+3t2) y(t) = 2at3
31
Z izločitvijo parametra t dobimo njeno enačbo še v implicitni obliki
27ay2 = 4(xminusa)3
Dobljena krivulja Kr je polkubična ali Neilova parabola z ostjo v točki
D(a0) kjer ima vodoravno tangento (slika 16) Krivuljo Ks smo up-
ravičeno imenovali četrtkubična parabola Slednja ima v točki D(a0)
navpično tangento
Edinole premice p od tistih ki sodelujejo v konstrukciji točk krivulje
K nimajo ogrinjače Vse premice p namreč potekajo skozi koordinatno
izhodišče O in očitno ne ogrinjajo nobene krivulje
Nožiščne krivulje
Novo krivuljoHprime dobimo če na tangente dane krivuljeH pravokotno pro-
jiciramo izbrano točko Φ Vse projekcije P nožišča točke Φ na tangentah
krivuljeH sestavljajo krivuljoHprime ki jo imenujemo rdquonožiščnardquo ali rdquopedalna
krivuljardquo krivulje H glede na točko Φ
Beseda rdquopedalenrdquo izhaja iz latinske rdquopedalisrdquo kar pomeni rdquonoženrdquo Os-
novna beseda je rdquopesrdquo v rodilniku ednine rdquopedisrdquo kar pomeni rdquonogardquo Od
tod izvirajo tudi besede rdquopedalordquo rdquopedalarrdquo in rdquopedalinrdquo
Poiščimo nekaj nožiščnih krivulj glede na koordinatno izhodišče O
Najprej za krivuljo K ki je poseben primer de Slusove perle Za odvod
v točki T isinK ki ustreza parametru t dobimo
dy
dx(x) =
y
x(t) =
3t2 minus12t
Enačbi tangente v T in pravokotnice skozi O nanjo pa se glasita
y minusat(1minus t2) =3t2 minus1
2t(xminusa(1minus t2)) y =
2t1minus3t2
x
32
Sekata se v točki P s koordinatama
x(t) =a(t2 minus1)2(1minus3t2)
9t4 minus2t2 +1 y(t) =
2at(t2 minus1)2
9t4 minus2t2 +1 (4)
S tem smo našli parametrični enačbi krivulje Kprime (slika 17) Do implicitne
enačbe je dolga pot prek rezultante dveh polinomov spremenljivke t od
katerih je prvi druge drugi pa pete stopnje Najprej opazimo da je v (4)
yx = 2t(1minus 3t2) kar lahko zapišemo kot p(t) = 3yt2 + 2xt minus y = 0 drugo
enačbo pa zapišemo v obliki q(t) = 2at5 minus 9yt4 minus 4at3 + 2yt2 + 2at minus y = 0
Zaradi enostavnosti smo pisali x in y brez argumenta t Da izločimo pa-
rameter t je treba zapisati rdquorezultantordquo R(p(t)q(t)) polinomov p(t) in
q(t) in jo izenačiti z 0 (glej [14])
R(p(t)q(t)) =
RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR
2a minus9y minus4a 2y 2a minusy 0
0 2a minus9y minus4a 2y 2a minusy
3y 2x minusy 0 0 0 0
0 3y 2x minusy 0 0 0
0 0 3y 2x minusy 0 0
0 0 0 3y 2x minusy 0
0 0 0 0 3y 2x minusy
RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR
= 0
Zadnji stolpec je deljiv z y Ker y = 0 ni del iskane nožiščne krivulje pre-
ostane ko izračunamo determinanto in jo okrajšamo z y in preuredimo
27y2(x2 +y2)2 +4ax(x2 minus9y2)(x2 +y2)minus4a2(x2 minusy2)2 = 0
Rezultat je torej algebrska krivulja šeste stopnje Krivulja je simetrična
glede na abscisno os točka O pa je njena posebna točka Za zelo majhne
x in y prevlada zadnji člen kar pomeni da sta premici y = x in y = minusx v O
tangenti na krivuljo
33
Slika 17 Nožiščna krivulja Kprime krivulje K glede na koordinatno izhodišče
Zanka krivulje Kprime nekoliko spominja na srčnico ali kardioido ki jo
opisujejo točke krožnice ki se brez drsenja kotali po enako veliki krožnici
Krivulja Kprime ima še neomejeni del ki se razteza po drugem in tretjem kvad-
rantu Poglejmo kako potuje točka po krivulji v parametrizaciji (4) ko
parameter t teče po številski premici Za t lt minus1 poteka krivulja po tretjem
kvadrantu pri čemer x(t)rarr minusinfin in y(t)rarr minusinfin ko t rarr minusinfin Pri t = minus1 točka
doseže O v obliki osti ki ima za tangento premico y = x Za minus1 lt t lt 0
potuje točka po četrtem kvadrantu doseže točko D pri t = 0 za 0 lt t lt 1
potuje naprej po prvem kvadrantu in pri t = 1 spet doseže O kjer ima
ost s tangento y = minusx nato nadaljuje pot po drugem kvadrantu pri čemer
x(t)rarr minusinfin in y(t)rarrinfin ko trarrinfin
Nožiščna krivulja malo prej obravnavane krivulje Ks glede na točko O
ni nič drugega kot krivulja K Premice s so namreč tangente na Ks nožišča
točke O na njej pa so točke krivulje K Lahko pa to preverimo z računom
34
tako kot smo poiskali nožiščno krivuljo Kprime za K glede na točko O
Za odvod v poljubni točki na Ks ki ustreza parametru t dobimo
dy
dx(x) =
y
x(t) = minus
1t
Enačbi tangente v tej točki in pravokotnice skozi O nanjo pa se glasita
y +4at3 = minus1t(xminusa(1+3t4)) y = tx
Sekata se v točki s koordinatama
x(t) = a(1minus t2) y(t) = at(1minus t2)
To sta ravno parametrični enačbi krivulje K tako da velja Kprimes =K
Podobno ugotovimo tudi da je premica x = a nožiščna krivulja za para-
bolo Kq Premica x = a je tangenta te parabole v temenu V splošnem je
temenska tangenta parabole kar njena nožiščna krivulja glede na gorišče
Ugotovili smo torej da je nožiščna krivulja krivulje Kr spremljajoča para-
bola krivulje K
Ekstremne točke nožiščne krivulje Kprime
Ekstremne točke na zanki krivulje Kprime dobimo iz odvodov
x(t) =2at(1minus t2)(3t2 +1)(9t4 +2t2 minus3)
(9t4 minus2t2 +1)2
y(t) =2a(t2 minus1)(3t2 +1)(3t4 +6t2 minus1)
(9t4 minus2t2 +1)2
Za t = 0 doseže v točki D(a0) abscisa svojo največjo vrednost Za t = plusmn1
poteka krivulja skozi točko O kjer sama sebe preseka pod pravim kotom
ker je yprime(0) = (yx)(plusmn1) = ∓1
35
Najmanjšo absciso na zanki ima krivulja Kprime v točki ki jo določa para-
meter t za katerega velja pogoj 9t4 +2t2 minus3 = 0 To je bikvadratna enačba
katere realni rešitvi sta tplusmn = plusmnradic
2radic
7minus13 ustrezni točki na krivulji pa
izračunamo z enačbama (4) in dobimo
Xplusmn(a(17minus7radic
7)27plusmnaradic
74radic
7minus17227)
Ekstremni ordinati na zanki ima krivulja takrat za tisto vrednost para-
metra t za katerega velja pogoj 3t4 + 6t2 minus 1 = 0 Realni rešitvi te bi-
kvadratne enačbe sta tplusmn = plusmn(3radic
2minusradic
6) 4radic
36 ustrezni točki na krivulji pa
Yplusmn(a(3minusradic
3)3plusmna 4radic123)
Ker v koordinatah ekstremnih točk nastopajo poleg osnovnih aritmetičnih
operacij le kvadratni in bikvadratni (četrti) koreni so te točke konstruk-
tibilne
Cisoida
Spoznali smo enega od načinov pridobivanja novih ravninskih krivulj iz
danih to je z nožišči izbrane točke na tangentah dane krivulje Krivulji
s tem priredimo nožiščno krivuljo glede na izbrano točko Drug tak pre-
prost način kako iz znanih krivulj dobimo nove je cisoidni način Kako
pa ta poteka
Denimo da sta znani krivulji K1 in K2 ter točka O ki ležijo v isti
ravnini Pri tem sta K1 in K2 taki krivulji da vsaka premica p skozi O
ki seka K1 v neki točki T1 seka tudi K2 recimo v točki T2 (slika 18) Za
vsak T1 označimo na p točko T tako da veljaETHOT =
ETHETHT1T2 Ko T1 potuje po
K1 T opiše krivuljo C ki jo imenujemo cisoida krivulj K1 in K2 glede na
točko O Definicije take cisoide se nekoliko razlikujejo od vira do vira
36
Slika 18 Krivulja C je cisoida krivulj K1 in K2 glede na točko O
Dioklova cisoida s katero rešimo problem podvojitve kocke je cisoida
krožnice x2 + y2 = ax in premice x = a glede na koordinatno izhodišče O
Več o cisoidah in njihovi uporabi je napisanega na primer v [8]
Krivulja K je povezana tudi s polkubično ali semikubno ali Neilovo
parabolo poimenovano po Williamu Neilu (1637ndash1680) Parametrični
enačbi (3) lahko zapišemo v vektorski obliki v standardni bazi kot razliko
kolinearnih vektorjev
r(t) = (x(t)y(t)) =ETHOT = (a(1minus t2)at(1minus t2)) = (aat)minus (at2at3)
Vektor r1(t) = (aat) = (a0)+at(01) je enačba premice x = a v parametrični
obliki vektor r2(t) = (at2at3) pa polkubične parabole ki ima enačbo ay2 =
x3 in ost v točkiO Parameter t geometrijsko pomeni tangens naklonskega
kota premice OA (slika 13)
Premica y = tx poteka skozi koordinatno izhodišče O in seka premico
x = a v točkiA(aat) zato jeETHOA = r1 Ista premica seka polkubično parabolo
P ki ima enačbo ay2 = x3 v točki P (at2at3) tako da jeETHOP = r2 S tem je
ETHPA =
ETHOAminus
ETHOP = r1minus r2 = r To pomeni da je r =
ETHOT =
ETHOAminus
ETHOP Potemtakem
je krivulja K cisoida polkubične parabole P z enačbo ay2 = x3 in premice
37
Slika 19 De Slusova perla K kot cisoidna krivulja
x = a glede na točko O (slika 19)
Neilova parabola in ločna dolžina
Neilova ali polkubična parabola ay2 = x3 je bila v zgodovini matematike
pomembna kot ena prvih krivulj za katero so znali izračunati ločno dolžino
Prav prvi je to znal John Wallis (1616ndash1703) leta 1657
Denimo da nas zanima ločna dolžina `(b) te krivulje nad intervalom
[0b] (slika 20) Znano je da lahko uporabimo formulo za ločno dolžino
krivulje ki je dana v eksplicitni obliki
`(b) = intb
0
radic
1+yprime2dx
Pri tem je y = f (x) enačba krivulje in yprime = f prime(x) V našem primeru je y =
38
Slika 20 Neilova ali polkubična parabola
f (x) = plusmnradicx3a Kratek račun nam da yprime2 = 9x(4a) in
`(b) = intb
0
radic
1+9x4adx
Z uvedbo nove integracijske spremenljivke u z relacijo u2 = 1 + 9x(4a)
dobimo
`(b) =8a9 int
c
1u2du =
8a27
(c3 minus1)
pri čemer je c =radic
1+9b(4a)
Leibnizeva izohrona je krivulja po kateri se je leta 1687 vprašal G W
Leibniz Poiskati je treba v navpični ravnini krivuljo po kateri se brez
trenja giblje točkasta masa ki je podvržena konstantnemu težnostnemu
polju tako da je navpična komponenta njene hitrosti ves čas konstantna
Nalogo je prvi rešil C Huygens nizozemski astronom fizik in matema-
tik znan tudi po odkritju Saturnovega satelita Titana in znamenitih Sat-
urnovih obročev ter po izdelavi prve ure na nihalo kar je bilo za tiste čase
velik napredek v merjenju točnega časa
39
Slika 21 Leibnizeva izohrona
Izhodišče O postavimo v najvišjo točko krivulje (slika 21) V tej točki
je horizontalna hitrost premikajoče se mase m enaka 0 Naj bo v0 njegova
navpična hitrost navzdol Os y je vodoravna os x pa usmerjena navz-
dol Potencialno energijo mase računamo nad izbranim nivojem spodaj V
skladu z načelom ohranitve mehanske energije v času t in času 0 potem
velja12mv2(t)+mg(hminusx(t)) =
12mv2
0 +mgh
Pri tem je g težni pospešek Po poenostavitvi dobimo v2(t) = 2gx(t)+ v20
Vektor hitrosti ima v vsakem trenutku med seboj pravokotni komponenti
v(t) = (x(t) y(t)) za t = 0 pa v(0) = (v00) Upoštevamo da je ∣v(t)∣2 =
v2(t) = x2(t) + y2(t) in da je x(t) = v0 pa imamo sistem diferencialnih
enačb
x(t) = v0 y(t) =radic
2gx(t)
ki ga rešimo pri začetnih pogojih x(0) = y(0) = 0 in dobimo
x(t) = v0t y(t) =23
radic2gv0t3
40
Koordinati točk na dobljeni krivulji zadoščajo enačbi
ay2 = x3 a =9v2
0
8g
Pri dani konstanti a je v0 = (23)radic
2ag Iskana krivulja je torej Neilova
parabola Ime izohrona je dobila zato ker točkasta masa po vertikali
v enakih časih prepotuje enake razdalje V grščini beseda ἴσος pomeni
rdquoenakrdquo χρόνος pa rdquočasrdquo
Dolžina ` zanke krivulje K nas pripelje do zapletenega eliptičnega in-
tegrala za katerega zapišimo približno vrednost
` = 2aint1
0
radic9t4 minus2t2 +1dt ≐ 271559186a
Pač pa je dolžina loka ` četrtkubične parabole Ks ogrinjače premic s bolj
prijazna Za dolžino loka od točke D ki ustreza parametru t = 0 do točke
ki ustreza parametru t = α dobimo
` = 12aintα
0t2
radic1+ t2dt =
3a2
(α(1+2α2)radic
1+α2 minus ln(α +radic
1+α2))
Prav tako dolžina loka ` navadne parabole Kq ogrinjače premic q ne
dela težav Za dolžino loka od točke D ki ustreza parametru t = 0 do
točke ki ustreza parametru t = α dobimo
` = 2aintα
0
radic1+ t2dt = a(α
radic1+α2 + ln(α +
radic1+α2))
Za spremljajočo parabolo dobimo prav tako enostaven rezultat za ločno
dolžino od točke O do točke ki ustreza parametru t = α
` = intα
0
radic1+4t2dt =
a4(2α
radic1+4α2 + ln(2α +
radic1+4α2))
Nazadnje zapišimo še ločno dolžino polkubične parabole Kr
` = 6aintα
0tradic
1+ t2dt = 2a((1+α2)radic
1+α2 minus1)
41
Pri vseh zgornjih primerih je parameter t strmina premice p v prvotni
konstrukciji krivulje K
Ploščine in prostornine
Ploščina S lika ki ga omejuje zanka krivulje K je
S =2radica int
a
0xradicaminusxdx
Z uvedbo nove integracijske spremenljivke t z relacijo aminusx = t2 je
S =4radica int
radica
0t2(aminus t2)dt =
4radica int
radica
0(at2 minus t4)dt =
8a2
15
Lahko pa jo izrazimo tudi s splošno formulo ki smo jo izpeljali na začetku
razdelka S to formulo lahko izrazimo še prostornino V telesa ki ga pri
rotaciji okoli osi x opiše lik
V =πa int
a
0x2(aminusx)dx =
πa3
12
To je ravno polovica prostornine krogle s premerom a
Pač pa je izraz za ploščino S prime lika ki ga omejuje zanka krivulje Kprime bolj
zapleten izraz Uporabimo parametrični enačbi (4) in dobimo
S prime = int1
0(x(t)y(t)minus x(t)y(t))dt = 2a2
int
1
0
(1minus t2)3(1+2t2 minus3t4)(9t4 minus2t2 +1)2 dt
Če se zanesemo na računalniško računanje določenih integralov potem je
S prime =2a2
729(3(43πminus28)+52
radic2ln(1+
radic2))
kar je približno S prime ≐ 1059206796a2 Do enakega rezultata pridemo z
navidez enostavnejšo formulo
S prime = 2inta
0y(x)dx
42
toda drugim težjim integralom
S prime = 2int0
1y(t)x(t)dt = minus8a2
int
1
0
t2(1minus t2)3(3t2 +1)(9t4 +2t2 minus3)(9t4 minus2t2 +1)3 dt
Zakaj smo integrirali po parametru t od 1 do 0 Zato ker abscisa x narašča
od 0 do a ko t pada od 1 do 0 Ordinata y pa je pri tem nenegativna (glej
izraza (4))
Tudi izraz za prostornino V prime telesa ki ga pri rotaciji okoli osi x opiše
lik omejen s Kprime je navidez enostaven
V prime =πinta
0y2(x)dx
toda s parametrom t je zapleten a eksaktno izračunljiv
V prime =πint0
1y2(t)x(t)dt = 8πint
1
0
t3(t2 minus1)5(3t2 +1))(9t4 +2t2 minus3)(9t4 minus2t2 +1)4 dt
Za rezultat dobimo
V prime =2πa3
19683(431π
radic2+369+744ln2)
kar je približno V prime ≐ 08936800975a3
Naj bo s tem računanja integralov dovolj V nadaljevanju se bomo
posvetili nekaterim lažjim problemom
Tangenta
Pri krivuljah v koordinatnem sistemu Oxy so pomembni štirje dotikalni
elementi za posamezne točke T odsek na tangenti ∣TA∣ odsek na normali
∣T B∣ subtangenta ∣AT prime∣ in subnormala ∣BT prime∣ (slika 23) Izražajo se takole
∣TA∣ = ∣y
yprime
radic
1+yprime2∣ ∣T B∣ = ∣yradic
1+yprime2∣ ∣T primeA∣ = ∣y
yprime∣ ∣T primeB∣ = ∣yyprime∣
43
Slika 22 Ploščini likov omejenih z zankama krivulj K in Kprime
Pri tem pomeni yprime = f prime(x) če je enačba krivulje y = f (x) Točka T prime je pra-
vokotna projekcija točke T na abscisno os A je presečišče tangente na
krivuljo v točki T z osjo x B pa presečišče normale z osjo x Dotikalni
elementi so posebej definirani tudi za krivulje v polarnih koordinatah
Slika 23 Dotikalni elementi krivulje
De Sluse je za algebrsko krivuljo f (xy) = 0 po svoje našel izraz za sub-
tangento ts to je pravokotno projekcijo odseka na tangenti
44
na os x V današnji pisavi se subtangenta izraža v obliki
ts = minusy
partfparty (xy)
partfpartx (xy)
Za krivuljo K je f (xy) = ay2 minusx2(aminusx) = 0 in
ts =2x(xminusa)3xminus2a
Lotimo se še konstrukcije tangente t in normale n naK v točki T0(x0y0) ne
O ki enolično določa točko A(aay0x0) kot presečišče premice p skozi O
in T0 s premico x = a Skozi A povlecimo vzporednico nprime z normalo n na K
v točki T0 Normala ima smerni koeficient kn = tsy0 oziroma
kn =
partfparty (x0y0)
partfpartx (x0y0)
=2ay0
x0(3x0 minus2a)
Premica nprime ima enačbo
y minusay0
x0=
2ay0
x0(3x0 minus2a)(xminusx0)
in preseka abscisno os v točki T1(x10) za katero po krajšem računu do-
bimo x1 = 2a minus 3x02 Točko T1 in premico nprime zlahka geometrijsko kon-
struiramo Iskana tangenta t v točki T0 je pravokotna na nprime normala n pa
vzporedna z nprime (slika 24)
Inverzija krivulje K na krožnici
Po navadi za ravninske krivulje pogledamo še njihove inverzne slike na
krožnici Inverzija ali zrcaljenje na krožnici x2 + y2 = r2 je ravninska pres-
likava ι definirana s predpisom
ι ∶ (xy)↦ (r2x
x2 +y2 r2y
x2 +y2)
45
Slika 24 Tangenta in normala na krivuljo K
S spreminjanjem polmera r krožnice dobimo med seboj podobne krivulje
Če zrcalimo na krožnici x2 + y2 = a2 krivuljo K ki ima implicitno enačbo
(2) dobimo krivuljo Klowast ki ima enačbo
y4 = minusx3(aminusx)
ki je formalno oblike (2) zam = 4n = 3p = 1 in k = minus1 Dobljena krivuljaKlowast
je simetrična glede na os x ima dve veji abscisa na njej doseže ekstremni
vrednosti v točkah O(00) in D(a0) Ima pa kot bomo videli tudi dve
asimptoti y = xminusa4 in y = minusx+a4 (slika 25)
Krivuljo Klowast se da lepo parametrizirati s parametrom τ če v njeno
enačbo y4 = minusx3(aminusx) vstavimo y = τx Dobimo
x(τ) =a
1minusτ4 y(τ) =aτ
1minusτ4
To sta parametrični enačbi krivulje Klowast
Ko τ uarr minus1 x(τ)rarr minusinfin in y(τ)rarr +infin ko τ darr minus1 x(τ)rarr +infin in y(τ)rarr minusinfin
ko τ uarr +1 x(τ)rarr +infin in y(τ)rarr +infin ko τ darr +1 x(τ)rarr minusinfin in y(τ)rarr minusinfin
46
Slika 25 Inverzna slika Klowast krivulje K
Konstanti k in n poševne asimptote y = kx + n krivulje Klowast dobimo s
formulama
k = limxrarrplusmninfin
y
x n = lim
xrarrplusmninfin(y minus kx)
V našem primeru je
k = limxrarrplusmninfin
y
x= limτrarrplusmn1
τ = plusmn1 n = a limτrarrplusmn1
τ ∓11minusτ4 = ∓
a4
Poševni asimptoti sta torej premici y = plusmn(xminusa4)
Obnašanje krivulje v okolici točke D utemeljimo če zapišemo impli-
citno obliko krivulje nekoliko drugače
y4 = (xminusa)x3 = (xminusa)(a+(xminusa))3 = a3(xminusa)+3a2(xminusa)2+3a(xminusa)3+(xminusa)4
47
Slika 26 Krivulja Klowast in približka v okolici točk O in D
Za x ki je zelo blizu a prevlada na desni prvi člen tako da je y4 asymp a3(xminusa)
Razlika xminusa se torej obnaša približno tako kot bikvadrat ordinate y
V okolici točke O kjer so abscise negativne iz istega razloga velja y4 asymp
minusax3 zato se tam krivulja obnaša približno tako kot četrtkubična parabola
(slika 26)
Inverzija krivulje Kprime na krožnici
Na krožnici x2 + y2 = a2 zrcalimo še krivuljo Kprime nožiščno krivuljo krivulje
K glede na točko O Dobimo dvodelno krivuljo Kprimelowast kakršno vidimo na
sliki 27
Enačba nove krivulje v implicitni obliki je
4(x2 minusy2)2 minus4ax(x2 minus9y2)minus27a2y2 = 0
48
Slika 27 Inverzna slika Kprimelowast krivulje Kprime
Krivulja je algebrska četrte stopnje je simetrična glede na os x ima ost
z vodoravno tangento v točki O skozi točko D pa poteka v blagem loku
Natančneje ugotovimo približni potek krivulje v okolici teh dveh točk če
v zgornji enačbi obdržimo prevladujoče člene V okolici točke O kjer so
abscise negativne je ay2 asymp minus4x327 torej približno tako kot polkubična
parabola V okolici točke D(a0) je y2 asymp minus4a(x minus a) kar pomeni da se
krivulja obnaša približno tako kot parabola
Pritisnjeni krožnici na K
Pritisnjeni krožnici v točki O na krivuljo K sta inverzni sliki asimptot
krivulje Klowast na krožnici x2 + y2 = a2 Preprost račun pokaže da se asimp-
toti krivulje Klowast z inverzijo ι preslikata v krožnici x2 + y2 plusmn4ay minus4ax = 0 ki
imata središči v točkah Splusmn(2aplusmn2a) in polmer 2aradic
2 Sekata se pavokotno
v točkah O in M(4a0) Inverzija ι namreč ohranja kote (slika 28)
49
Slika 28 Pritisnjeni krožnici na krivuljo K v točki O
Ukrivljenost κ(t) krivulje K v točki ki ustreza parametru t brez težav
izračunamo iz njenih parametričnih enačb (3)
κ(t) =2(3t2 +1)
a(1minus2t2 +9t4)32
V posebnem primeru je v točki O to se pravi za t = plusmn1 ukrivljenost enaka
κ(plusmn1) = 1(2aradic
2) zato sta v O polmera pritisnjenih krožnic 1κ(plusmn1) =
2aradic
2 kar se seveda ujema z rezultatom dobljenim z inverzijo na krožnici
Toksoida
Videli smo da je inverzna slika krivulje K krivulja Klowast ki ima enačbo y4 =
minusx3(aminusx) ki je formalno oblike (2) zam = 4n = 3p = 1 in k = minus1 Prav tako
je krivulja ay2 = minusx2(aminus x) ki jo dobimo iz enačbe ay2 = x2(aminus x) krivulje
K če zamenjamo aminus x z x minus a formalno oblike (2) za m = 2n = 2p = 1 in
50
k = minus1a Krivuljo označimo jo s T ki ima enačbo
ay2 = x2(xminusa)
je nemški amaterski matematik samouk in izumitelj Diedrich (tudi Diede-
rich) Uhlhorn (1764ndash1837) imenoval rdquotoksoidardquo V svojem delu [13] obrav-
nava več krivulj in za nekatere tudi opiše mehanske naprave s katerimi
se jih da risati pa tudi njihovo uporabo pri reševanje enačb Beseda rdquotok-
soidardquo izvira iz dveh grških τόξον kar pomeni rdquolokrdquo (kot orožje) pa tudi
rdquopuščicardquo in εἶδος kar med drugim pomeni rdquooblika podobardquo D Uhlhorn
je imenoval krivuljo v nemščini rdquoBogenlinierdquo ker nemški samostalnik rdquoBo-
genrdquo pomeni prav tako rdquolokrdquo Iz besede τόξον smo dobili tudi besede ki
so povezane s strupi kajti bojne puščice so bile često zastrupljene
Slika 29 Toksoida
Toksoida ima tudi izolirano točkoO(00) saj njeni koordinati zadoščata
implicitni enačbi
Iz implicitne enačbe toksoide dobimo z zamenjavo y = tx njeni parametri-
čni enačbi
x(t) = a(1+ t2) y(t) = at(1+ t2) (5)
ki pa ne vključujeta izolirane točke O
51
Toksoida je algebrska krivulja tretje stopnje simetrična glede na os x
ki jo preseka za t = 0 v točki D(a0) kjer ima navpično tangento Krivulja
na prvi pogled ni nič posebnega a že D Uhlhorn je pokazal kako se kon-
struira njene posamezne točke in kako se z njo podvoji kocko
Slika 30 Konstrukcija točk toksoide
Do točke T na toksoidi pridemo takole V koordinatnem sistemu Oxy
za pozitiven a določimo točko D(a0) in skoznjo konstruiramo pravokot-
nico na os x torej premico x = a (slika 30) Na tej premici izberemo točko
A ki jo bomo spreminjali da bomo dobili krivuljo Skozi O in A nato
načrtamo premico p v A pa nanjo pravokotnico q ki seka abscisno os v
točki B V B postavimo na abscisno os pravokotnico r ki preseka premico
p v točki T Ko A potuje po premici x = a točka T opiše toksoido T brez
izolirane točke O
Da res dobimo toksoido T je treba samo zapisati enačbi y = tx premice
p in y = minus(x minus a)t + at premice q ter točki A(aat) in B(a(1 + t2)0) ter
T (a(1+t2)at(1+t2)) Koordinati točke T pa res dasta paramatrični enačbi
52
toksoide
Slika 31 Konstrukcija srednjih geometrijskih sorazmernic s toksoido
Iz podobnih trikotnikov ODA OAB in OBT na sliki 30 sledi relacija
∣OD ∣
∣OA∣=∣OA∣
∣OB∣=
∣OB∣∣OT ∣
kar pomeni da sta ∣OA∣ in ∣OB∣ srednji geometrijski sorazmernici daljic
∣OD ∣ = a in ∣OT ∣ = b Zato lahko izrazimo ∣OA∣ =3radica2b in ∣OB∣ =
3radicab2 na isti
način kot pri (3)
Če imamo že načrtano toksoido T potem srednji geometrijski sorazmer-
nici za a in b gt a dobimo tako da poiščemo presečišče T krožnice s sredi-
ščem v O skozi točko C(b0) in na zgoraj opisan način poiščemo premice
pq in r ter točki A in B (slika 31) Za b = 2a na ta način rešimo problem
podvojitve kocke ∣OA∣ = a 3radic
2
Ukrivljenost κ(t) toksoide T v točki ki ustreza parametru t brez težav
53
izračunamo iz njenih parametričnih enačb (5)
κ(t) =2(3t2 minus1)
a(1+10t2 +9t4)32
Opazimo da ukrivljenost menja predznak pri t = plusmn1radic
3 kar nam da točki
Pplusmn(4a3plusmn4aradic
39) v katerih ima T prevoja s tangentama s smernima koe-
ficientoma plusmnradic
3 Tangenti oklepata z osjo x kota plusmnπ3 Pritisnjena krožnica
v točki D ki ustreza t = 0 ima za polmer 1∣κ(0)∣ = a2 in središče v točki
S(3a20) (slika 32)
Slika 32 Prevoja toksoide T in pritisnjena krožnica v točki D
Prevoja sta konstruktibilna pri čemer si lahko pomagamo z vesico pis-
cis nad daljico OD Njeni točki Vplusmn sta narazen za aradic
3 premici skozi O
in Vplusmn pa določata smeri tangent v prevojih Prav tako je konstruktibilna
točka S V okolici točk D in Pplusmn je ujemanje toksoide s pritisnjeno krožnico
v D in tangentama v prevojih Pplusmn zelo dobro
54
Enačba toksoide T v polarnih koordinatah in ϕ je
(ϕ) =a
cos3ϕ
kar sledi iz njene implicitne oblike
a(x2 +y2) = x3
Pri tem je treba le upoštevati zvezi x2 +y2 = 2 in x = cosϕ
Polarna oblika je zelo primerna za študij inverzije na krožnici s središčem
v točki O in polmerom R Če je namreč lowast polarni polmer invertirane
krivulje mora veljati relacija
(ϕ)lowast(ϕ) =R2
Če izberemo R = a dobimo za inverzno sliko toksoide T krivuljo (slika 33)
T lowast ki ima nasledno enačbo v polarnih koordinatah
lowast(ϕ) = acos3ϕ
Slika 33 Inverzna slika T lowast toksoide T
55
Iz polarne oblike krivulje T lowast hitro izpeljemo še njeno implicitno enačbo
(x2 +y2)2 = ax3
Torej je T lowast algebrska krivulja četrte stopnje
Ploščino S lika ki ga ograjuje krivulja T lowast izračunamo po znani for-
muli
S = 2 sdot12 int
π2
0lowast2(ϕ)dϕ = a2
int
π2
0cos6ϕdϕ = a2 sdot
56
sdotπ2=
5πa2
32
Krivulja T lowast je simetrična glede na os x v točkah O in D ima navpični
tangenti največji odklon od osi x pa doseže v točkah Yplusmn(9a16plusmn3aradic
316)
kjer ima vodoravni tangenti in sicer pri polarnih kotih plusmnπ6
De Slusove pomnoževalke hiperkock
Podvojitev kocke je kot vemo klasični grški geometrijski problem ki se ga
ne da rešiti evklidsko to je samo z neoznačenim ravnilom in šestilom kar
so dokazali šele v 19 stoletju Problem zahteva določiti rob kocke ki ima
prostornino enako dvakratniku prostornine dane kocke To pomeni da
je treba za dano daljico a konstruirati tako daljico b za katero je b = a 3radic
2
Problem podvojitve kocke so Grki znali rešiti na več načinov Eden od njih
je možen s posebno ravninsko krivuljo z Dioklovo cisoido (več na primer
v [7])
Povsem smiselno se je vprašati kako bi pomnožili s faktorjem s gt 0
poljubno r-razsežno hiperkocko z robom a Njena prostornina je ar zato
je b = a rradics rob hiperkocke katere prostornina je s-kratnik prostornine
hiperkocke z robom a Dva primera sta trivialna Za r = 1 imamo daljico
56
njena rdquoprostorninardquo je kar njena dolžina a za r = 2 pa kvadrat čigar rdquopros-
torninardquo je kar njegova ploščina a2 Za r = 3 imamo opraviti z običajno
kocko z običajno prostornino a3 V prvih dveh primerih množenje s fak-
torjem s ni problematično saj s problemom lahko geometrijsko rešimo s
podobnimi trikotniki in z višinskim izrekom v pravokotnem trikotniku
Za r ge 4 si r-razsežno hiperkocko teže predstavljamo ker je ne moremo
realizirati z običajno geometrijo To pa ni ovira pri pomnožitvi take hiper-
kocke s številom s ker moramo znati samo njen rob a geometrijsko pom-
nožiti s številom rradics kar pa lahko naredimo v običajni ravnini V mate-
matični analizi je r-razsežna hiperkocka z robom a na primer kar r-kratni
kartezični produkt intervala [minusa2a2] s samim seboj to je množica
[minusa2a2]r = (x1x2 xr) isinRr ∶ ∣x1∣ le a2 ∣x2∣ le a2 ∣xr ∣ le a2
Oglejmo si de Slusove perle (2) z eksponenti mn =mminus 1 in p = 1 fak-
torjem k = 1 ter a gt 0 pri čemer je m sodo število to se pravi krivulje z
implicitno enačbo
ym = xmminus1(aminusx) (6)
oziroma xm + ym = axmminus1 Pri danem m označimo ustrezno krivuljo s Hm
Med njimi je tudi stara znanka x2 + y2 = ax krožnica s polmerom a2
in središčem v točki S(a20) Skupne vsem krivuljam so točke O(00)
Cplusmn(a2plusmna2) D(a0) ter navpični tangenti v O in D Krivulje Hm so za-
ključene in simetrične glede na os x in se dajo lepo parametrizirati z y = tx
Za vsako dobimo parametrično enačbo
x(t) =a
1+ tm y(t) =
at1+ tm
(7)
Najbolj se taka krivulja oddalji od abscisne osi za t = 1 mradicmminus1 v točkah
Yplusmn(a(mminus1)mplusmnam mradic
(mminus1)mminus1) Za t = 0 dobimo točko D za ∣t∣rarrinfin pa
57
se krivulja bliža točki O Slika 34 kaže nekaj primerov
Slika 34 Nekaj krivulj Hm
Naj bo s poljubno pozitivno število in A(0as) točka na osi y Premica
skozi A in D preseka krivuljo Hm v točkah D(a0) in B(x0y0) za katero
potrebujemo samo razmerje y0x0 Na sliki 35 je izbran eksponent m = 4
Premica skozi A in D ima enačbo xa+sya = 1 iz katere izrazimo aminusx = sy
in vstavimo v enačbo (6) Dobimo ym = ysxmminus1 Ker iščemo točko B s
pozitivno ordinato lahko z y krajšamo in dobimo y0x0 =mminus1radics
Premica skozi O in B ima enačbo y = y0xx0 in preseka premico x = a
v točki C(aay0x0) oziroma C(aa mminus1radics) Zato je ∣DC∣ = ∣OD ∣ mminus1
radics) V
primeru m = 4 in s = 2 je ∣DC∣ = ∣OD ∣3radic
2) kar pomeni da se nam je pos-
rečilo podvojiti trirazsežno kocko Za s = 3 kocko potrojimo za s = 4
početverimo itd Še več zam = 6 in s = 2 podvojimo 5-razsežno hiperkocko
58
za s = 3 jo potrojimo za s = 4 početverimo itd
Slika 35 Krivulja H4 in pomnožitev roba trirazsežne kocke
Lihih m nam ni treba posebej obravnavati ker krivulje Hm ne bi bile
prave de Slusove perle Poleg tega bi tedaj bil mminus 1 sodo število denimo
m minus 1 = 2αq z naravnim α in lihim q Korenjenje se potem da izvesti z
α-kratnim kvadratnim korenjenjem in enim q-tim korenjenjem s krivuljo
Hq+1 kakor smo zgoraj opisali
Drug način za pomnožitev hiperkock poteka s cisoidami Cm krivuljHm
in premice x = a Pri parametru t premica y = tx preseka premico x = a
v točki C(aat) točka B pa ima tedaj koordinati dani z parametričnima
enačbama (7) S koordinatami točk B in C imamo takoj
ETHBC = (aminus
a1+ tm
at minusat
1+ tm) = (
atm
1+ tmatm+1
1+ tm)
59
Slika 36 Nekaj krivulj Cm
Da bo točka T na cisoidi Cm mora veljati zvezaETHOT =
ETHBC Potemtakem ima
Cm parametrični enačbi
x(t) =atm
1+ tm y(t) =
atm+1
1+ tm (8)
Ker je t = yx dobimo še implicitno enačbo krivulje Cm
xm+1 = ym(aminusx) (9)
oziroma x(xm+ym) = aym Krivulje so za sodem definirane nad intervalom
60
[0a) so simetrične glede na os x imajo za asimptoto premico x = a in
potekajo skozi koordinatno izhodišče O in točki Cplusmn(a2plusmna2) Asimptoti
se krivulja bliža ko ∣t∣ rarr infin V točki O pri t = 0 imajo ost z vodoravno
tangento Za m = 2 dobimo staro znanko Dioklovo cisoido
Slika 37 Krivulja C4 in pomnožitev roba 5-razsežne hiperkocke
Izberimo sedaj na ordinatni osi točko A(0as) pri čemer je s pozi-
tivno število in vzemimo premico skozi točki A in D (slika 37) Ta ima
enačbo xa + y(as) = 1 iz katere izrazimo a minus x = ys Premica preseka
cisoido Cm v točki M(x0y0) s pozitivno ordinato Iz enačb premice skozi
A in D in (9) dobimo y0x0 = m+1radics Premica skozi točki O in M ima
enačbo y = y0xx0 in preseka premico x = a v točki E(aa m+1radics) Torej velja
61
zveza ∣DE∣ = ∣OD ∣ m+1radics kar pomeni da smo našli rob (m + 1)-razsežne
hiperkocke ki ima za prostornino s-kratnik prostornine dane (m + 1)-
razsežne hiperkocke
Naj bo Sm ploščina lika ki ga omejuje krivulja Hm in Qm ploščina
neomejenega lika ki ga omejuje krivulja Cm z asimptoto Ni ju težko
izraziti
Pm =a2(mminus1)πm2 sin π
m Qm =
a2(m+1)πm2 sin π
m
Nadalje naj bo Vm prostornina telesa ki nastane z rotacijo krivulje Hm
okoli osi x Wm pa prostornina neomejenega telesa ki nastane z rotacijo
krivulje Cm okoli osi x Prav tako ju ni težko izraziti
Vm =2a3(mminus1)(mminus2)π2
3m3 sin 2πm
Wm =2a3(m+1)(m+2)π2
3m3 sin 2πm
Ploščine in prostornine so poleg drugega zanimale že matematike v
17 stoletju zlasti C Huygensa Izračunajmo prostornino telesa Um ki
nastane z rotacijo lika med cisoido in njeno asimptoto okoli te asimptote
(slika 38) Uporabili bomo sodobne zapise in Eulerjevi funkciji B in Γ ki
ju C Huygens še ni mogel poznati Presek nastalega telesa na višini y je
krog s polmerom aminusx in ploščino π(aminusx)2 Upoštevamo še simetrijo lika
glede na os x uporabimo parametrično obliko (8) in nastavimo integral
Um = 2πintinfin
0(aminusx(t))2y(t)dt = 2πa3
int
infin
0
tm(tm +m+1)(1+ tm)4 dt
ki ga lahko izrazimo v obliki
Um = 2πa3(I2 + (mminus1)I3 minusmI4)
pri čemer je
Ik = intinfin
0
dt
(1+ tm)k
62
ki ima za m ge 2 in k ge 1 končno vrednost S substitucijo u = 1(1 + tm)
dobimo
Ik =1m int
1
0ukminus1minus1m(1minusu)1mminus1du =
1m
B(kminus1m1m) =Γ(k minus1m)Γ(1m)
mΓ(k)
Na koncu je rezultat zelo preprost
Um =2π2a3(m2 minus1)
3m3 sin πm
Prve tri prostornine so
U2 =π2a3
4 U4 =
5radic
2π2a3
32 U6 =
35π2a3
162
Slika 38 Telo nastalo z zasukom lika med krivuljo C2 in njeno asimptoto
okoli te asimptote
Izračunajmo prostornino telesa Um ki nastane z rotacijo lika med cisoido
in njeno asimptoto okoli osi y (slika 39) Presek nastalega telesa na višini y
63
je krožni kolobar z notranjim polmerom x in zunanjim polmerom a ki ima
ploščino π(a2minusx2) Upoštevamo še simetrijo lika glede na os x uporabimo
parametrično obliko (8) in nastavimo integral
Um = 2πintinfin
0(a2 minusx2(t))y(t)dt = 2πa3
int
infin
0
tm(tm +m+1)(2tm +1)(1+ tm)4 dt
ki ga lahko izrazimo z zgoraj vpeljanimi integrali Ik v obliki
Um = 2πa3(2I1 + (2mminus3)I2 minus (3mminus1)I3 +mI4)
Na koncu dobimo za rezultat
Um =2π2a3(m+1)(2m+1)
3m3 sin πm
Prve tri prostornine so
U2 =5π2a3
4 U4 =
15radic
2π2a3
32 U6 =
91π2a3
162
V 17 stoletju so se zanimali tudi za težišča homogenih likov in teles
Lik ki ga omejuje krivulja Hm ima težišče na abscisni osi oddaljen za xT
od osi y Da bi lahko poiskali xT moramo najprej izračunati za ta lik
moment
Mm = 2inta
0xy dx = 2int
0
infinx(t)y(t)xdt = 2a3mint
infin
0
tm
(1+ tm)4 dt
Izrazimo z integrali Ik in dobimo
Mm = 2a3m(I3 minus I4) =πa3(mminus1)(2mminus1)
3m3 sin πm
Abscisa težišča lika je potem kvocient momenta Mm in ploščine Sm
xT =(2mminus1)a
3m
64
Slika 39 Telo nastalo z zasukom lika med krivuljo C2 in njeno asimptoto
okoli osi y
Lik omejen s krivuljo Cm ima težišče na abscisni osi oddaljen za xC
od osi y Da bi poiskali xC uporabimo kar PaposndashGuldinovo pravilo za
prostornino vrtenine
2πxC sdotQm = Um
kjer je Qm ploščina lika ki ga rotiramo okoli osi y Rezultat je proti vsem
pričakovanjem zelo preprost
xC =(2m+1)a
3m
Poznoantični matematik Papos iz Aleksandrije (290ndash350) v grščini Πάπ-
πος ὁ Αλεξανδρεύς v latinščini Pappus je pomemben ker je zbral prak-
tično vse dotakratno matematično znanje Grkov in dodal še marsikaj svo-
65
jega Njegovo najpomembnejše delo je rdquoZbirkardquo v grščini Συναγωγή Uk-
varjal se je tudi s klasičnimi grškimi geometrijskimi problemi
Jezuit Paul Guldin (1577ndash1643) je bil švicarski matematik in astronom
profesor matematike na Dunaju in v Gradcu Pred tem je študiral v Rimu
Skupaj s Paposom je znan
po pravilih za izračun prostornine rotacijskega telesa in površine rotacij-
ske ploskve
Slika 40 Telo nastalo z zasukom lika ki ga omejuje H4 okoli osi y
ProstorninaXm vrtenine ki nastane z rotacijo lika omejenega s krivuljo
Hm okoli osi y je po PaposndashGuldinovem pravilu za prostornino enaka
Xm = 2πxT sdot Pm = 2π(2mminus1)a
3msdota2(mminus1)πm2 sin π
m=
2π2a3(2mminus1)(mminus1)3m3 sin π
m
Slika 40 kaže vrtenino za primer krivulje H4 Podobne slike bi dobili tudi
za druge Hm
Če isti lik rotiramo okoli premice x = a tangente na krivuljo Hm v
točki D dobimo vrtenino s prostornino Ym ki jo izračunamo prav tako
66
po PaposndashGuldinovem pravilu za prostornino in dobimo
Ym = 2π(aminusxT ) sdot Pm = 2π(m+1)a
3msdota2(mminus1)πm2 sin π
m=
2π2a3(m2 minus1)3m3 sin π
m
Opazimo da je prostornina Ym enaka prostornini Um telesa ki nastane
z rotacijo lika med krivuljo Cm in njeno asimptoto okoli te asimptote
Dokler ni bil razvit infinitezimalni račun kakršnega poznamo danes
so računali ploščine težišča prostornine in površine za vsak primer pose-
bej Veliko so se v 17 stoletju pa tudi že prej znani matematiki ukvarjali
s cikloido na primer N Kuzanski M Mersenne G Galilei G P de Rober-
val C Wren G Cardano B Pascal I Newton G W Leibniz C Huygens
je neko njeno lastnost uporabil pri izdelavi ure na nihalo
Evdoksova kampila
Oglejmo si naslednjo konstrukcijo točk krivulje V točki D(a0) pri čemer
je a gt 0 postavimo pravokotnico p na abscisno os Na p izberemo točko
A ki jo bomo kasneje premikali po tej premici Skozi O in A načrtamo
premico q in skozi A krožnico s središčem v koordinatnem izhodišču O
Krožnica preseka abscisno os v točkah B in Bprime ki sta simetrični glede na
točko O V B in Bprime konstruiramo pravokotnici r in rprime na os x ki presekata
p v točkah T in T prime ki sta tudi simetrični glede na točko O Ko teče točka
A po premici p opišeta T in T prime dvodelno krivuljo ki so jo poimenovali
rdquoEvdoksova kampilardquo Točka T opiše njeno desno vejo T prime pa levo Krivulja
je očitno simetrična glede na obe koordinatni osi (slika 41)
Enačbo desne veje dobljene Evdoksove kampile je najlaže najprej izraz-
iti v polarnih koordinatah nato pa še v implicitni obliki v pravokotnih
67
Slika 41 Konstrukcija točk Evdoksove kampile
kartezičnih koordinatah Za polarni kot ϕ vzamemo naklonski kot pre-
mice q za polarni radij pa razdaljo ∣OT ∣ (slika 41) Najprej očitno veljata
zvezi ∣OA∣ = ∣OD ∣cosϕ = acosϕ in = ∣OT ∣ = ∣OB∣cosϕ = ∣OA∣cosϕ iz
katerih dobimo = acos2ϕ tako da je nazadnje pri pogoju minusπ2 ltϕ ltπ2
polarna enačba desne veje Evdoksove kampile
(ϕ) =a
cos2ϕ (10)
Obe veji krivulje imata implicitno obliko
a2(x2 +y2) = x4 (11)
ki jo dobimo iz polarne oblike z upoštevanjem zvez 2 = x2 + y2 in cosϕ =
x Krivulja v obliki (11) ima izolirano točko O(00) ki je posledica del-
jenja z ki je lahko tudi enak 0 Evdoksova kampila je algebrska krivulja
četrte stopnje
Z Evdoksovo kampilo se da podvojiti kocko Načrtamo krožnico s
središčem v točkiD in polmerom a Njena enačba je x2+y2 = 2ax Vstavimo
68
Slika 42 Podvojitev kocke z Evdoksovo kampilo
2ax namesto x2 + y2 v (11) in dobimo enačbo x4 minus2a3x = x(x3 minus2a3) = 0 ki
ima realni rešitvi x0 = 0 in x1 = a 3radic
2 V prvem kvadrantu se krožnica in
Evdoksova kampila sekata v točki T (a 3radic
2aradic
2 3radic
2minus 3radic
4) kar pomeni da
ima točka T absciso
∣T0T ∣ = b = a 3radic2
Kocka z robom b ima prostornino b3 = 2a3 torej dvakratnik prostornine
kocke z robom a
Grška beseda καμπύλος pomeni rdquokriv zavit upognjenrdquo v ženski ob-
liki καμπύλη beseda γραμμή pa rdquočrta potezardquo Polno ime krivulje je v
grščini καμπύλη γραμμή torej rdquokriva črtardquo na kratko so jo poimenovali kar
rdquokampilardquo kateri so dodali še Evdoksovo ime Evdoks iz Knida (408ndash355
pnš) Εὔδοξος ὁ Κνίδιος je bil starogrški matematik in astronom Bil je
Arhitov učenec v Tarentu grško Τάρας in Platonov na Akademiji v Ate-
nah Obiskal je tudi Sicilijo in Egipt Kasneje je ustanovil svojo šolo v
Kiziku grško Κύζικος ob Mramornem morju ali Propontidi grško Προ-
ποντίς Pomemben je njegov doprinos v teoriji razmerij in nesoizmerljivih
količin kar je uporabil Evklid Εὐκλείδης v svojih Elementih Στοιχεῖα
69
Grška beseda εὔδοξος pomeni med drugim rdquosloveč slaven ugledenrdquo
V astronomiji je Evdoks zagovarjal geocentrični svetovni sistem in za
pojasnitev gibanja planetov in Lune uvedel sistem koncentričnih sfer ki
se vrtijo ena v drugi S tem v zvezi je uvedel še eno krivuljo ki jo poznamo
pod imenom rdquoEvdoksova hipopedardquo
Problem podvojitve kocke je na svojevrsten način s torusom valjem
in stožcem rešil pitagorejec in vojaški poveljnik Arhitas iz Tarenta v južni
Italiji grško Αρχύτας ὁ Ταραντίνος rojen med letoma 435 in 410 umrl
pa med letoma 360 in 350 pnš Morda je Evdoks Arhitovo prostorsko
rešitev problema podvojitve kocke poenostavil na reševanje v ravnini in
tako prišel do svoje kampile Dokazano to ni nikjer ve se le da mu je
rešitev uspelo najti z neko krivuljo Način reševanja pa je podoben reše-
vanju z Uhlhornovo toksoido ki ima tudi podobno enačbo v polarni obliki
(ϕ) = acos3ϕ
Tako Uhlhornova toksoida kot Evdoksova kampila spadata v skupino
Clairautovih krivulj = acosnϕ ali = asinnϕ Če je n racionalno število
je Clairautova krivulja algebrska Alexis Claude Clairaut (1713ndash1765) je
bil francoski matematik in astronom
Evdoksovo kampilo brez izolirane toke O parametriziramo kar s po-
larnim kotom
x(ϕ) =a
cosϕ y(ϕ) =
asinϕcos2ϕ
Njena ukrivljenost κ(ϕ) se izraža v obliki
κ(ϕ) =cos3ϕ(3sin2ϕ minus1)
a(3sin2ϕ +1)32
Ukrivljenost spremeni predznak pri kotu ϕ za katerega je 3sin2ϕ minus1 = 0
V takih točkah ima krivulja prevoje Evdoksova kampila ima štiri in sicer
70
Slika 43 Desna veja Evdoksove kampile prevoja in pritisnjena krožnica
v točkah (plusmnaradic
62plusmnaradic
32) Strmini tangent v teh točkah sta plusmn2radic
2 Os x
presekata za desno vejo v točki G(3aradic
680) Krivinski polmer v točkah
D inDprime je enak a Središče pritisnjene krožnice v točkiD je v točki S(2a0)
Približno ujemanje krivulje tangent v prevojih Pplusmn in pritisnjene krožnice v
temenu D kaže slika 43 Ujemanje bi lahko izkoristili za približno podvo-
jitev kocke Če namesto Evdoksove kampile vzamemo kar njeno tangento
y = 2radic
2(xminusaradic
62)+aradic
32
v prevoju v prvem kvadrantu in poiščemo absciso ξ presečišča s krožnico
x2 +y2 = 2ax dobimo
ξa=
118
radic
24radic
6minus23+
radic6
3+
19≐ 1259956951
namesto točnejše vrednosti
3radic
2a
≐ 1259921049
71
Če bi podoben račun naredili za Uhlhornovo toksoido ki se v prevojih
tudi približno ujema s tangentama bi dobili slabši rezultat
Zgoraj opisani približek lahko izkoristimo za precej natančno evklid-
sko konstrukcijo roba b podvojene kocke z robom a V koordinatnem sis-
temu Oxy narišemo krožnico s polmerom a s središčem v točki D(a0)
skozi O pa konstruiramo premico p z naklonskim koeficientom k = 2radic
2
Na abscisni osi konstruiramo točkoG(3aradic
680) in skoznjo premico q vz-
poredno s p Presečišče te premice s krožnico je točka T njena pravokotna
projekcija na os y pa točka T0 Razdalja b = ∣T0T ∣ je dober približek za
a 3radic
2 (slika 44) Pri tem izkoristimo izraza za diagonalo kvadrata in višino
enakostraničnega trikotnika v katerih nastopataradic
2 inradic
3 s kombinacijo
obeh pa šeradic
6 Podrobnosti so izpuščene z malo truda lahko konstrukcije
izvede vsak sam
Slika 44 Približna podvojitev kocke
Zrcalno sliko Evdoksove kampile (11) na krožnici x2 + y2 = a2 takoj
dobimo iz polarne oblike njene desne veje lowast(ϕ) = acos2ϕ Z zapisom v
pravokotnih kartezičnih koordinatah dobimo implicitno obliko za celotno
prezrcaljeno krivuljo
(x2 +y2)3 = a2x4
72
Krivulja je algebrska šeste stopnje Simetrična je glede na obe koordinatni
osi Njeni največji odkloni od osi x so pri polarnih kotih ϕ za katere je
3sin2ϕ = 1 to je v točkah (plusmn2aradic
69plusmn2aradic
39) kjer ima krivulja vodo-
ravni dvojni tangenti
Slika 45 Zrcaljenje Evdoksove kampile na krožnici
Nova krivulja spada med Clairautove Ploščina P obeh delov jajčastih
oblik je
P = 4 sdota2
2 intπ2
0cos4ϕdϕ = 2a2 sdot
34
sdotπ2=
3πa2
8
Problem podvojitve kocke grško διπλασιασμός τοῦ κύβου ali deloški
problem poimenovan po grškem otoku Delosu v Egejskem morju je reše-
valo več grških geometrov ki so celo skušali izdelati v ta namen posebno
orodje Platon je pograjal Evdoksove Arhitove in Menajhmove učence
češ da njihovi napori kvarijo kar je dobrega v geometriji Nastal je celo
epigram (puščica zbadljivka) v zvezi s podvojitvijo kocke ki je zapisan v
Evtokijevih komentarjih k Arhimedovi razpravi rdquoO krogli in valjurdquo grško
Περὶ σφαίρας καὶ κυλίνδρου Matematik in neoplatonist Evtokij iz Aškalona
v Palestini Εὐτόκιος ὁ Ασκαλονίτης je bil poznoantični matematik rojen
73
okoli leta 480 umrl pa je okoli leta 520 O njem se ve bore malo Nekaj
časa je deloval v Atenah nazadnje pa v Aleksandriji Napisal je tudi ko-
mentarje k Apolonijevi razpravi rdquoStožnicerdquo v grščini Κωνικά Na stožnice
se je v srednjem kar nekoliko pozabilo zanimanje zanje je spet oživelo
šele v času Keplerja in Newtona ko je bil potreben opis gibanja planetov
v heliocentričnem svetovnem sistemu
Navedimo omenjeni epigram v grščini in v prevodu S Weiss (vzeto iz
obsežnega knjižnega dela v treh delih [3])
Μηδὲ σύ γrsquo Αρχύτεω δυσμήχανα ἔργα κυλίνδρων
μηδὲ Μεναιχμείους κωνοτομεῖν τριάδας
διζήσηι μηδrsquo εἴ τι θεουδέος Εὐδόξοιο
καμπύλον ἐν γραμμαῖς εἶδος ἀναγράφεται
Težkih Arhitovih del s cilindri nikar ne posnemaj
stožnic Menajhmovih treh nikdar izsekal ne boš
niti ne boš spoznal če božanskega črte Evdoksa
res zarišejo lik tak iz zavitih kampil
Videli smo kaj vse se da povedati o neki krivulji če obvladamo in-
finitezimalni račun Seveda nam je to sedaj ko imamo na voljo najnovejše
pripomočke in obsežno ter dostopno matematično literaturo veliko laže
kot je bilo matematikom v 17 stoletju ko so v marsičem še orali ledino
Pomembni znanstveniki rojeni v 17 stoletju
Navedimo nekaj pomembnih znanstvenikov predvsem matematikov fizi-
kov in astronomov ki so se rodili v 17 stoletju Razvrščeni so po letnicah
74
rojstva Veliko podatkov dobimo v [1 5] in na svetovnem spletu
Gilles Personne de Roberval (1602ndash1675)
Pierre de Fermat (1607ndash1665)
Giovanni Alfonso Borelli (1608ndash1679)
Evangelista Torricelli (1608ndash1647)
John Pell (1610ndash1685)
Johann Hevel (1611ndash1687)
Frans van Schooten (1615ndash1660)
Carlo Renaldini (1615ndash1698)
John Wallis (1616ndash1703)
Henry Oldenburg (1618ndash1677)
Michelangelo Ricci (1619ndash1682)
William Brouncker (1620ndash1684)
Edmeacute Mariotte (1620ndash1684)
Jean Picard (1620ndash1682)
Vincenzo Viviani (1622ndash1703)
Reneacute-Franccedilois de Sluse (1622-1685)
Blaise Pascal (1623ndash1662)
Giovanni Domenico Cassini (1625ndash1712)
Robert Boyle (1627ndash1691)
Christiaan Huygens (1629ndash1695)
Isaac Barrow (1630ndash1677)
Ehrenfried Walther von Tschirnhaus (1631ndash1708)
Christopher Wren (1632ndash1723)
Johann Hudde (1633ndash1704)
Robert Hooke (1635ndash1703)
75
William Neile (1637ndash1670)
James Gregory (1638ndash1675)
Philippe de la Hire (1640ndash1719)
Isaac Newton (1643ndash1727)
Olaus Roslashmer (1644ndash1710)
Gottfried Wilhelm Leibniz (1646ndash1716)
Denis Papin (1647ndash1712)
Michel Rolle (1652ndash1719)
Pierre Varignon (1654ndash1722)
Jacob Bernoulli (1655ndash1705)
Edmund Halley (1656ndash1742)
Guillaume Franccedilois Antoine LrsquoHocircpital (1661ndash1704)
David Gregory (1661ndash1708)
Abraham de Moivre (1667ndash1754)
Johann Bernoulli (1667ndash1748)
Jacopo Francesco Riccati (1676ndash1754)
Giulio Carlo Fagnano (1682ndash1766)
Roger Cotes (1682ndash1716)
Reneacute Antoine Reacuteaumur (1683ndash1757)
Greacutegoire de Saint-Vincent (1584ndash1667)
Brook Taylor (1685ndash1731)
Gabriel Daniel Fahrenheit (1686ndash1736)
Colin Maclaurin (1698ndash1746)
Pierre Louis Moreau de Mapertuis (1698ndash1759)
76
Viri
[1] I Asimov Biografska enciklopedija znanosti in tehnike Tehniška za-
ložba Slovenije Ljubljana 1978
[2] J Bair V Henry Sluse ses perles et son algorithme Losanges 14
(2011) str 14ndash18 httphdlhandlenet2268100155 (videno 10
7 2021)
[3] G Kocijančič (urednik) Fragmenti predsokratikov Študentska za-
ložba Ljubljana 2012
[4] G Loria Spezielle algebraische und transscendente ebene Kurven
Teubner Leipzig 1902
[5] U C Merzbach C B Boyer A History of Mathematics John Wiley amp
Sons Hoboken New Jersey 2011
[6] J J OrsquoConnor E F Robertson Reneacute Franccedilois Walter de Sluze MacTu-
tor
httpsmathshistoryst-andrewsacukBiographiesSluze
(videno 10 7 2021)
[7] B von Pape Von Eudoxus zu Uhlhorn Books on Demand Norderstedt
2019
[8] M Razpet Pomnožitev hiperkocke Obzornik mat fiz 68 (2021) št 1
str 1-9
[9] M Razpet in N Razpet Prepogibanje papirja podvojitev kocke in
Slusova konhoida Obzornik mat fiz 67 (2020) št 2 str 41-51
77
[10] Y Renotte Reneacute de Sluze dialogues avec Christiaan Huygens
Bulletin de lrsquouniversiteacute du 3e acircge - Liegravege 23 (2021) 4 strani
httphdlhandlenet22682596400 (videno 10 7 2021)
[11] R F Slusius Mesolabum seu duaelig mediaelig proportionales inter ex-
tremas datas per circulum et ellipsim vel hyperbolam infinitis modis
exhibitaelig Leodii Eburonum Liegravege 1659
[12] R F Slusius Mesolabum seu duaelig mediaelig proportionales inter ex-
tremas datas per circulum et per infinitas hyperbolas vel ellipses et
per quamlibet exhibitaelig ac problematum omnium solidorum effectio
per easdem curvas Leodii Eburonum Liegravege 1668
[13] D Uhlhorn Entdeckungen in der houmlhern Geometrie theoretisch und
practisch abgehandelt Schulzersquosche Buchhandlung Oldenburg 1809
[14] I Vidav Algebra Mladinska knjiga Ljubljana 1972
Avtor se zahvaljuje prof dr Milanu Hladniku za strokovni pregled
copy(2021) Marko Razpet
78
Predgovor
V prispevku bomo spoznali življenje in delo valonskega matematika in
kanonika de Slusa ki je po svoje zaznamoval buren razvoj matematike 17
stoletja V njegovem času je velik napredek doživel infinitezimalni račun
in uvedli so ustrezne matematične oznake ki jih uporabljamo še danes
Družbeni in ekonomski razvoj uveljavljanje heliocentričnega svetovne-
ga sistema geografska odkritja in z njimi povezana orientacija na morju
potrebe po točnem merjenju časa velika uporaba orodij in strojev razvoj
gradbeništva in geodezije in drugo so terjali čedalje bolj natančno in hitro
računanje Naraščalo je zanimanje za geometrijo astronomijo reševanje
enačb reševanje fizikalnih problemov in uporabo logaritmov Nastajala
so nova matematična področja na primer teorija verjetnosti infinitezi-
malni račun in variacijski račun Znanstveniki so si med seboj dopisovali
se obiskovali in tako širili nove ideje in teorije Nastajale so znanstvene
akademije kot protiutež univerzam kjer je še vedno prevladovala sholasti-
čna misel Ustanavljale so se znanstvene revije ki so zagotavljale večji
pregled nad avtorstvom novih odkritij in zamisli
Kdo je bil Reneacute-Franccedilois de Sluse
Čeprav je o de Slusu napisanega precej pa ni toliko znan znanstvenik kot
bi moral biti Veliko izvemo o njem na primer v [2 5 6 10] od kjer so
vzeti podatki ki sledijo v nadaljevanju
Reneacute-Franccedilois Walter de Sluse (včasih tudi Reneacute de Sluze latinsko Re-
natus Franciscus Slusius ali preprosteje kar Reneacute Sluse izgovarjamo pa
njegov priimek kot rdquosluumlzrdquo) se je rodil 2 julija 1622 v Viseacuteju ob reki Meuse
5
sedaj v valonskem delu Belgije v provinci Liegravege blizu meje med Belgijo
in Nizozemsko v bogati in omikani družini Njegova domovina je takrat
spadala pod Špansko Nizozemsko V tistih krajih so zemljepisna imena
v tamkajšnjih jezikih različna na primer de Slusov rojstno mesto ki je v
francoščini Viseacute je v nizozemščini Wezet v nemščini Wezen in v latinščini
Villa Viesato Prav tako glavno mesto province Liegravege oziroma do 1949
Lieacutege v francoščini Luik v nizozemščini Luumlttich v nemščini in Leodium
v latinščini Prav tako reka ob kateri ležita ti dve mesti Meuse v fran-
coščini Maas v nizozemščini in nemščini ter Mosa v latinščini
Slika 1 Reneacute-Franccedilois Walter de Sluse
Po študiju prava na Katoliški univerzi v Leuvenu med letoma 1638
in 1642 (francosko Louvain nemško Loumlwen) je odšel v Rim kjer je ostal
nekaj let in si že leta 1643 prislužil naziv doktorja prava na rimski univerzi
6
La Sapienza nato pa je imel priložnost študirati v Italiji teologijo filo-
zofijo zgodovino matematiko fiziko astronomijo in jezike (baje je znal
tudi grško hebrejsko arabsko in sirsko)
Slika 2 Viseacute na zemljevidu iz sredine 19 stoletja
Katoliška univerza v Leuvenu je najstarejša univerza na ozemlju današ-
njega Beneluksa ustanovljena leta 1425 Univerza La Sapienza (rdquosapienzardquo
pomeni v italijanščini znanje) je bila ustanovljena kot papeška univerza
leta 1303 v zadnjem letu vladanja papeža Bonifacija VIII Ime je dobila
po stavbi v katero se je naselila Po doktoratu je de Sluse nekaj časa služil
papežema Inocencu X in Aleksandru VII kot tajnik Zadolžen je bil za to
da je papeške uradne dokumente na primer papeške bule obrazložil lju-
dem na razumljiv način Papežu Inocencu X je z znanjem jezikov pogosto
prevajal pisma ki so bila namenjena škofom na Grškem in v Armeniji
V Rimu se je de Sluse srečal s priznanimi takratnimi znanstveniki med
katerimi sta bila tudi B Cavalieri ki je s svojim delom nekako napovedal
integralski račun in E Torricelli
Leta 1650 je bil imenovan za kanonika kolegijske cerkve v Viseacuteju čeprav
je bilo to imenovanje le nominalno da bi mu zagotovilo dohodke Ni se
mu bilo treba takoj vrniti v Viseacute ampak je ostal še malo v Rimu ki ga je
7
zapustil naslednje leto ko ga je papež Inocenc X imenoval za kanonika v
katedrali sv Lamberta v Liegravegeu Zaradi svojega znanja prava je v Cerkvi
hitro napredoval in kmalu se je povzpel na vplivne položaje Leta 1659
je postal član zasebnega sveta katedrale v Liegravegeu leta 1666 pa kot cis-
tercijanski duhovnik opat opatije La Paix Dieu v Amayu (valonsko Ama)
jugozahodno od Liegravegea Bil je tudi zasebni svetovalec koumllnskega nadškofa
in volilnega kneza Svetega rimskega cesarstva tudi škofa v Liegravegeu Mak-
similijana Henrika Bavarskega (1621ndash1688) Umrl je 19 marca 1685 v
Liegravegeu
Reneacutejev brat Johannes Walter (1628ndash1687) se je v cerkveni hierarhiji
leta 1686 povzpel vse do kardinala Rojen je bil prav tako v Viseacuteju umrl pa
je v Rimu kjer je tudi pokopan in sicer v cerkvi Santa Maria dellrsquoAnima
Beseda rdquohierarhijardquo je grškega izvora Njen prvi del izhaja iz besede
ἱερός kar pomeni rdquosvet posvečen božjirdquo drugi del pa iz besede ἀρχός kar
pomeni rdquoprvak gospodar vladarrdquo
Omenjena kolegijska cerkev je naziv za tiste cerkve v katerih je Sveti
sedež ustanovil kapitelj ali kolegij klerikov (duhovnikov) imenovanih ka-
noniki Namen te ustanove je bil narediti bolj slovesno bogoslužje v cerk-
vah izbranega določenega pomena Ustanovitev posodobitev ali ukinitev
kolegijskih cerkva je bil v pristojnosti Svetega sedeža
Kanonik je v katoliški cerkvi dostojanstvenik član stolnega kapitlja
škofov svetovalec izvedenec za cerkveno pravo Sama beseda kanonik
izhaja iz grške κανών kar pomeni rdquovzorec predpis pravilo vodilordquo
Zaradi zahtevnih cerkvenih dolžnosti de Sluse ni imel več priložnosti
potovati toliko kot bi si želel Da bi zadovoljil svojo veliko intelektu-
alno radovednost si je stalno dopisoval z nekaterimi velikimi evropskimi
učenjaki B Pascalom C Huygensom P Fermatom R Boylom J Gre-
8
goryjem M Riccijem J Wallisom in H Oldenburgom Tako je lahko
izražal svoje ideje je pa zaradi drugega dela malo objavljal H Olden-
burg je bil tista leta tajnik Kraljevega društva v Londonu katerega član
je de Sluse postal leta 1674 Oldenburg je de Slusove zamisli posredoval
neposredno angleškim učenjakom in drugim članom kot je bilo takrat v
navadi Do njih je prišlo skoraj 80 pisem izmenjanih med letoma 1667
in 1676 De Slusovo korespondenco je leta 1884 objavil matematik C Le
Paige iz Liegravegea S tem je de Slusovo znanstveno delo postalo širše znano
De Sluse je umrl 19 marca 1685 v Liegravegu ravno tistega leta ko se je začel
spor med Newtonom in Leibnizem glede tega kdo je avtor infinitezimal-
nega računa Pokopali so ga v kolegijski cerkvi v Viseacuteju v bližini njegovih
staršev Družinski mavzolej je obstajal do 14 avgusta 1914 ko je nemška
vojska požgala kolegijsko cerkev sv Martina in sv Hadelina V kolegijski
cerkvi v Viseacuteju je ob levem stranskem oltarju spominska plošča ki govori
o slavnem prebivalcu Viseacuteja iz 17 stoletja kanoniku Reneacuteju-Franccediloisu
de Slusu Mesti Viseacute in Liegravege sta mu posvetili ulici Rue de Sluse mesto
Bassenge zahodno od Viseacuteja pa pot Chemin de Sluse
Matematične teme ki jih je obravnaval de Sluse so bile povezane z
znanstvenimi interesi tistega časa Po eni strani so bili geometrijski prob-
lemi ki segajo v čas Evklida in Arhimeda oživljeni v drugi polovici 16
in prvi polovici 17 stoletja Zlasti Cavalieri je razvil teorijo nedeljivih
količin ki je imela določen vpliv na razvoj matematične analize Po drugi
strani pa se je približno v istem času ko se je začela razvijati algebra po
zaslugi F Viegraveta ki je uvedel algebrski jezik in predvsem R Descartesa
in njegovega dela rdquoLa Geacuteomeacutetrierdquo zelo povečalo zanimanje za geometrijo
Združitev teh dveh tokov je de Slusa in številne druge matematike njego-
vega časa pripeljal do tega da so se začeli zanimati za geometrijske last-
9
Slika 3 Mesolabum druga izdaja 1668
nosti analitično definiranih krivulj predvsem algebrskih pa tudi spiral in
cikloid ki so bile takrat modne teme Pomembni problemi v tistih časih so
bili kako definirati in konstruirati tangento na krivuljo kako izračunati
ploščino lika ki ga ograjuje taka krivulja kako izračunati njeno dolžino
in kako izračunati prostornino in površino teles ki niso omejena samo z
ravninskimi ali sferičnimi liki G W Leibniz je pri de Slusu in Descartesu
našel marsikatero idejo pri razvoju infinitezimalnega računa in analitične
geometrije Ni čudno da je Huygens v nekem v pismu H Oldenburgu
dal o de Slusu naslednje mnenje rdquoSlusius eotilde geometrarum quos novi
omnium doctissimus candidissimusquerdquo rdquoSluse je od geometrov kar jih
poznam najbolj učen in jasenrdquo
10
Prav tako so bili v de Slusovem času še vedno aktualni problemi reše-
vanja algebrskih enačb tretje in četrte stopnje čeprav so to znali že itali-
janski matematiki S del Ferro N Tartaglia G Cardano in L Ferrari Še
vedno pa so bili živi antični problemi kvadrature kroga trisekcije kota in
podvojitve kocke s katerimi so se ubadali grški geometri Kot je znano gre
pri problemu podvojitve kocke za konstrukcijo kocke s prostornino ki je
dvakrat večja od prostornine dane kocke Problema se ne da rešiti z neoz-
načenim ravnilom in šestilom kot si je zamislil Platon pač pa s pomočjo
nekaterih algebrskih krivulj ali pa s posebnimi mehanskimi napravami
De Sluse je obravnaval geometrijsko reševanje algebrskih enačb tretje in
četrte stopnje z uporabo presečišč stožnic Descartes je pokazal da se
problem lahko rešuje z iskanjem presečišč parabole in krožnice de Sluse
pa je pokazal da lahko parabolo nadomestimo s katerokoli stožnico kar
se je izkazalo za veliko bolj prilagodljivo in elegantno kot Descartesova
metoda Svojo metodo je pod velikim vplivom Viegravetovih in drugih del
razvil v delu rdquoMesolabumrdquo (1659) še posebej v njegovi drugi izdaji (1668)
Celotna naslova izdaj nista popolnoma identična (glej [11 12]) Razvil je
tudi postopek za iskanje subtangente in s tem tangente katerekoli alge-
brske krivulje in to brez uporabe odvoda funkcije kakršnega poznamo
dandanes
Na sliki 3 opazimo v letnici izdaje de Slusovega Mesolabuma tudi malo
drugačen zapis rimskih številk za 500 in 1000 Navajeni smo ju pisati v
obliki D in M Namesto D so svoj čas pisali I in narobe obrnjen C torej
I C kar je skoraj D Za M pa CI C Število I Cje druga polovica od CI C
kar je v soglasju z dejstvom da je 500 polovica od 1000 Razlog za tako
pisavo sega v čas starih Grkov Etruščanov in Rimljanov Baje so nekoč
uporabljali za 1000 črko Φ iz katere se je razvila oznaka CI C iz te pa M
11
Eratostenov mesolabum
Beseda rdquomesolabumrdquo je zelo stara Izvira iz grške besede μεσολάβος (morda
tudi iz μεσολάβον) ki je v antiki pomenila posebno geometrijsko orodje
za določevanje prve in druge srednje geometrijske sorazmernice Beseda
izvira iz grške μέσος kar pomeni rdquosrednjirdquo in λαμβάνω kar pomeni rdquovza-
mem primem zgrabim pograbim popadem ulovimrdquo Glagolska os-
nova je λαβ- je tista iz katere izhajata nedoločnik λαβεῖν in aorist λάβον
Mesolabum je potemtakem tisto s čimer lovimo sredino lovilec sredin
Podobna beseda je rdquoastrolabrdquo starodavna astronomska naprava za določe-
vanje položaja zvezd v grščini ἀστρολάβον ὄργανον
V grških besedilih je glagol λαμβάνω eden od osnovnih in kot tak zelo
pomemben V taki ali drugačni obliki je zato zelo pogost Za primer
navedimo iz Odiseje (XXIV 397ndash399 prevod A Sovregrave )
ὣς ἄρ ἔφη Δολίος δv ἰθὺς κίε χεῖρε πετάσσας
ἀμφοτέρας ᾿Οδυσεῦς δὲ λαβὼν κύσε χεῖρv ἐπὶ καρπῷ
καί μιν φωνήσας ἔπεα πτερόεντα προσηύδα
To je dejal Približa se Dolios rok mu razpetih
prime gospoda v zapestju roko mu ginjen poljubi
z glasom obrne se k njemu pa reče krilate besede
V latinščini imenujejo mesolabum tudi rdquomesolabiumrdquo kar se čudno
sliši ker beseda rdquolabiumrdquo pomeni ustnica Iz besede rdquolabiumrdquo so izvedene
še druge V fonetiki imamo glasove ki jih sooblikujemo z ustnicami in se
zato imenujejo rdquolabialirdquo na primer rdquoprdquo in rdquobrdquo
12
Mesolabum je iznašel Eratosten iz Kirene (276ndash195 pnš) grško ᾿Ερα-
τοσθένης ὁ Κυρηναῖος ki je deloval v Aleksandriji kot vodja tamkajšnje
slavne knjižnice ki je bila del Muzejona hiše učenosti in umetnosti grško
Μουσεῖον τῆς Αλεξανδρείας in je najbolj znan po svojem situ za iskanje
praštevil in po izračunu velikosti Zemlje Pri mesolabumu gre za to kako
mehansko določiti prvo in drugo srednjo geometrijsko sorazmernico x in
y daljic a in b kjer je 0 lt a lt b Srednji geometrijski sorazmernici x in y
morata zadoščati relacijiax=xy=y
b (1)
Če označimo te tri kvociente z λ in jih med seboj zmnožimo dobimo
axsdotxysdoty
b=ab= λ3
To pomeni da je
λ = 3
radicab x =
3radica2b y =
3radicab2
Pri tem velja relacija a lt x lt y lt b ki je posledica relacije
a3 = a2a lt a2b = aab lt abb = ab2 lt bb2 = b3
iz katere sledi po kubičnem korenjenju a lt3radica2b lt
3radicab2 lt b Zato lahko
rečemo da sta x in y sredini daljic a in b saj sta med a in b
Za b = 2a je x = a 3radic
2 in y = a 3radic
4 To pomeni da se s tem posreči pod-
vojiti in početveriti kocko Kocka z robom x ima namreč dvakrat kocka z
robom y štirikrat večjo prostornino kot kocka z robom a in dvakrat večjo
kot kocka z robom x ker je x3 = 2a3 in y3 = 4a3 = 2x3 Prvi ki je prišel na
idejo poiskati srednji geometrijski sorazmernici x in y za a in b = 2a je bil
v 5 stoletju pnš živeči Hipokrat z otoka Hios v grščini ῾Ιπποκράτης ὁ
Χῖος Skušal je rešiti problema podvojitve kocke in kvadrature kroga
13
Eratosten je bil nad svojim izumom mesolabuma tako navdušen da je
en primerek baje daroval v nekemu templju sicer pa ga je posvetil kralju
Ptolemaju III (284ndash222 pnš) imenovanemu tudi Ptolemaj Dobrotnik
grško Πτολεμαῖος Εὐεργρέτης
Slika 4 Osnovni elementi Eratostenovega mesolabuma
Sedaj je čas da opišemo Eratostenov mesolabum Njegov je bil sicer
izdelan iz lesa slonove kosti in kovin mi pa si ga bomo ogledali she-
matično geometrijsko uporabljajoč pravokotnike trikotnike daljice pre-
mice točke razmerja in sorazmerja
V ravnini so postavljeni skladni pravokotniki A1B1C1D1 A2B2C2D2 in
A3B3C3D4 s stranicami A1B1 A2B2 in A3B3 na skupni premici na kateri
ostanejo ves čas v nadaljevanju opisanega postopka Vse stranice pra-
vokotnikov pravokotne na to premico imajo dolžino b Dolžina pre-
ostalih stranic ni pomembna Na stranici B3C3 izberemo točko T tako
da je ∣B3T ∣ = a Prvi pravokotnik je negiben preostala dva pa lahko dr-
sita po premici tako da se tretji lahko skrije pod drugega drugi pa pod
prvega S tem lahko gibljiva dva postavimo tako da dobimo daljice dolžin
14
x in y ki skupaj z a in b zadoščajo relaciji (1) Pravokotniki so razdeljeni z
med seboj vzporednimi diagonalami na pravokotne trikotnike (slika 4)
Slika 5 Premik pravokotnikov Eratostenovega mesolabuma
Ko premikamo drugi pravokotnik pod prvega njegova diagonala B2D2
prej ali slej seka stranico B1C1 negibnega pravokotnika denimo v točki
E Ko pa premikamo tretji pravokotnik pod drugega njegova diagonala
B3D3 prej ali slej seka stranico B2C2 drugega pravokotnika denimo v točki
F Cilj premikanja pravokotnikov sem in tja je doseči kolinearnost točk
D1EF in T Kot bomo kmalu videli takrat x = ∣B2F∣ in y = ∣B1E∣ ustrezata
relaciji (1)
Kolinearnost točk D1EF in T dosežemo s postopkom ki mu učeno
rečemo rdquoiteracijardquo Malo premaknemo drugi pravokotnik nato malo tret-
jega pa zopet drugega itd dokler s svojo spretnostjo ne dosežemo zado-
voljive natančnosti V natančni legi označimo u = ∣B1D1∣ v = ∣B2E∣ in
w = ∣B3F∣ Te daljice so med seboj vzporedne (slika 6) in zaradi podob-
nosti trikotnikov A1B1D1 B1B2E in B2B3F ter trikotnikov B1ED1 B2FE in
15
Slika 6 Končna lega pravokotnikov Eratostenovega mesolabuma
B3T F dobimo sorazmerja
bu=y
v=xwy
u=xv=aw
iz katerih sledijo relacije
xw = av xv = yw yv = ux bv = uy
Iz prve druge tretje in četrte dobimo po vrsti
ax=wvwv=xyxy=vuvu=y
b
Sedaj je nedvomno razvidno da je res
ax=xy=y
b
Tako lahko z Eratostenovo napravo najdemo prvo in drugo srednjo ge-
ometrijsko sorazmernico daljic a in b Podobno bi lahko našli tudi več
srednjih geometrijskih sorazmernic daljic a in b
16
So pa matematiki že davno odkrili da se da srednji geometrijski so-
razmernici najti tudi s parabolama Iz relacije (1) namreč sledita preprosti
zvezi
x2 = ay y2 = bx
V prvi spoznamo enačbo parabole ki ima za simetralo ordinatno os gorišče
v točki F(0a4) in vodnico y = minusa4 v drugi pa enačbo parabole ki ima za
simetralo absciso os gorišče v točki G(b40) in vodnico x = minusb4 (slika 7)
Slika 7 Do srednjih geometrijskih sorazmernic s parabolama
Paraboli se sekata v točkah O(00) in A(3radica2b
3radicab2) Konstrukcijo je
odkril Menajhmos grško Μέναιχμος ki je živel v 4 stoletju pnš Prvi je
vpeljal stožnice kot preseke stožca z ravnino Teorijo stožnic je temeljito
obdelal Apolonij iz Perge (265ndash170 pnš) grško Απολλώνιος ὁ Περγαῖος
Njegove knjige so matematiki uporabljali še vse do Newtonovih časov
Prav tako pridemo do srednjih geometrijskih sorazmernic če poiščemo
presečišči parabole x2 = ay z goriščem F(0a4) in vodnico y = minusa4 ter
krožnice x2 + y2 = bx + ay ki ima središče v točki S(b2a2) in premer
17
Slika 8 Do srednjih geometrijskih sorazmernic s parabolo in krožnico
d =radica2 +b2 Parabola in krožnica se sekata v točkah O in A(
3radica2b
3radicab2)
(slika 8) kar potrdi preprost račun Opisano konstrukcijo je obvladal Reneacute
Descartes Menajhmos in Descartes sta pokazala da se z njunima kon-
strukcijama da rešiti problem podvojitve kocke Za b je treba v opisanih
postopkih vzeti 2a Pripomnimo še da je bila starogrška matematika
pretežno matematika razmerij in sorazmerij in tako je bilo še celo vrsto
stoletij Srednjo geometrijsko sorazmernico x daljic dolžin a in b tako
da velja a ∶ x = x ∶ b iz česar sledi x =radicab se da konstruirati z neoz-
načenim ravnilom in šestilom Spomnimo se na višinski izrek v pravokot-
nem trikotniku ki je pravzaprav posledica podobnosti dveh trikotnikov
na katera višina na hipotenuzo razdeli pravokotni trikotnik
Pri dveh srednjih geometrijskih sorazmernicah x in y pa se kot smo
videli pojavi kubični koren ki pa z omenjenima geometrijskima orodjema
ni konstruktibilen To so matematiki dokazali šele v 19 stoletju Do takrat
so problem skušali rešiti na druge načine in pri tem odkrili nove krivulje
tako da njihov trud le ni bil popolnoma zaman Geometrijski objekt bo za
18
nas rdquokonstruktibilenrdquo če se ga da konstruirati z neoznačenim ravnilom in
šestilom
Drugo de Slusovo delo
De Sluse še vedno velja za izjemno učenega človeka nadarjenega za mate-
matiko izumiteljstvo in posploševanje Njegovo ime je še danes povezano
z njegovimi konhoidami in perlami De Slusova konhoida (slika 9) ki ima
implicitno obliko
(xminus c)(x2 +y2)minus2cx2 = 0
je precej natančno obravnavana v članku [9]
Slika 9 Slusova konhoida
Reneacute de Sluse se ni ukvarjal le z matematiko ampak tudi z astronomijo
fiziko naravoslovjem in seveda teologijo Pogosto se je pritoževal nad
omejitvami ki so mu jih nalagale njegove verske in upravne funkcije
Ni veliko eksperimentiral ker za to ni imel posebnega veselja pa tudi
ne tehničnih možnosti Je pa predlagal drugim zlasti Huygensu da naj
naredijo tak ali drugačen eksperiment Z zanimanjem je bral prepovedane
19
knjige N Kopernika G Galileja in J Keplerja ter kritiziral prizadevanja za
obnovitev starih konceptov Pisal je že o ekscentričnosti v zvezi s Soncem
Zdi se da je za svoje izračune uporabljal oba sistema heliocentričnega
in geocentričnega Rad je opazoval zvezdnato nebo Tako v kemiji kot
drugje se je znašel na razpotju Prebral je modne knjige o alkimiji in
celo ponovil poskus sublimacije antimona v belo barvo vendar je bila nje-
gova razlaga odločno korpuskularna saj je uporabljal Boylove zamisli o
strukturi tekočega in trdnega stanja V podporo temu je izvajal poskuse
zamrzovanja različnih raztopin in študiral sestavo lojevca V medicinski
kemiji se je zanimal za zdravilne vode in jih tudi analiziral
V fiziki sta ga je posebej zanimala merjenje temperature in praktična
termometrija Če ne upoštevamo odkritij E Torricellija in B Pascala o
vplivu atmosferskega tlaka na zračni termometer je de Sluse leta 1664
izumil svoj termometer z voščeno kroglico pomešano s peskom ki se je
gibala v stekleni cevi zaprti na dnu napolnjeni s slano vodo tako da je
bila kroglica bolj ali manj potopljena v sredini cevi kar je opisal v pismih
Huygensu Kroglica je označevala vsako spremembo v zraku iz toplejšega
na hladnejše ko se je spuščala ali dvigala Huygens je odgovoril da je
njegov termometer prepočasen vendar je zanesljivejši od drugih istovrst-
nih termometrov ker je manj podvržen vplivu atmosferskega tlaka Žal
ni poznal florentinskega termometra ko je svojim dopisnikom vključno s
Huygensom in Oldenburgom povedal o svojem izumu Florentinski ter-
mometri so pomenili odločilen korak naprej pri merjenju temperature
Bili so prvi ki so omogočali natančne meritve Pred iznajdbo v Firencah
okoli leta 1650 so bili stari modeli zelo približni določali so ali je pred
nami nekaj hladnega ali vročega ne da bi lahko odčitali ali ocenili tem-
peraturo Razlika je v tem da je steklena cev zaprta tako da je vpliv tlaka
20
odpravljen Uporabljali so se predvsem petdesetstopinjski termometri
Taki termometri so večinoma služili za določanje nihanja temperature zra-
ka v zaprtih prostorih in na prostem Oblikovanje termometra je takrat
pomenilo tudi določitev njegove merilne lestvice vendar še brez Celzijevih
ali Fahrenheitovih stopinj Pri tem so bile stopinje enakomerno razpore-
jene med dvema skrajnostma in sicer med nivojem najhladnejše tekočine
pozimi (nizka točka) in nivojem najbolj vroče tekočine poleti (visoka točka)
Zaradi teh zelo relativnih vrednosti je primerjava meritev med dvema ter-
mometroma nezanesljiva Ob upoštevanju pripomb jo je večkrat spreme-
nil in jo ponovno predložil Oldenburgu do leta 1669 ko je R Boyle izrazil
negativno mnenje glede topnosti voska kroglic v slani tekočini Po tem da-
tumu termometer ni bil nikoli več omenjen De Sluse je zboljšal različne
instrumente ure številčnice barometre Ker ga je motilo prerekanje med
raziskovalci glede avtorstva odkritij je po Oldenburgovi smrti leta 1677
končal svojo znanstveno dejavnost
Šele v 18 stoletju so razvijali temperaturne merilne lestvice C Re-
naldini (1694) O C Roslashmer (1702) G Fahrenheit (1717) Reneacute-Antoine
F de Reacuteaumur (1730) in A Celsius (1741) Enota kelvin (K ndash v čast lordu
Kelvinu 1824-1907) osnovna enota mednarodnega sistema enot za tem-
peraturo je bila uvedena šele leta 1954
De Sluse je bil tudi zgodovinar Napisal je knjigo o smrti sv Lam-
berta škofa v Tongresu ki je bil ubit na kraju kamor je sv Hubert njegov
naslednik prenesel sedež svoje škofije Kraj se je kasneje razvil v Liegravege
Druga zgodovinska študija se nanaša na slavnega maastrichtskega škofa
sv Servacija Med de Slusovimi neobjavljenimi rokopisi je tudi zgodovina
Koumllna Pripomnimo še da je sv Hubert zavetnik lovcev matematikov
optikov in kovinarjev
21
O širini de Sluzovih interesov priča raznolikost tem ki so zajete na
več sto straneh njegovega dela neobjavljenih rokopisov ki jih zdaj hrani
Narodna knjižnica Bibliotheque Nationale v Parizu Čeprav se je ukvarjal
predvsem z matematiko njegovi rokopisi obravnavajo tudi astronomijo
fiziko in naravoslovje
De Slusove perle
Po de Slusu so po zaslugi B Pascala (več o tem v [4]) imenovane tudi
krivulje rdquode Slusove perlerdquo to so krivulje ki se v pravokotnem kartezi-
čnem koordinatnem sistemu Oxy izražajo z enačbo
ym = kxn(aminusx)p (2)
Pri tem so eksponenti mn in p naravna števila a in k pa pozitivni kon-
stanti Glede na parnost eksponentovmn in p formalno razlikujemo osem
možnosti od katerih imamo opravka s perlami le v primeru ko je m sodo
število s pravimi perlami pa v primeru ko je m sodo število n in p pa lihi
števili (slika 10) Skupno tem krivuljam so simetričnost glede na os x in
presečišča s to osjo pri x = 0 in x = a De Sluse je po svoje brez uporabe
odvoda izračunal da njegove perle dosegajo lokalne ekstreme največji
odstop od osi x med 0 in a za x = na(n+p)
V teh primerih je ploščina S lika ki ga ograjuje zanka perle enaka
S = 2k1mint
a
0xnm(aminusx)pmdx = 2k1ma(m+n+p)mint
1
0tnm(1minus t)pmdt
Integracijsko spremenljivko x smo zamenjali z novo spremenljivko t prek
relacije x = at da smo dobili obliko ki jo lahko izrazimo z Eulerjevima
22
Slika 10 Primeri de Slusovih perl
funkcijama B in Γ
S = 2k1ma(m+n+p)mB(nm+1pm+1) =
= 2k1ma(m+n+p)mΓ(nm+1)Γ(pm+1)
Γ((n+p)m+2)=
= 2k1ma(m+n+p)mnp
(m+n+p)(n+p)
Γ(nm)Γ(pm)
Γ((n+p)m)
Pri rotaciji okoli osi x ta lik v prostoru opiše telo s prostornino
V =πk2mint
a
0x2nm(aminusx)2pmdx =πk2ma(m+2n+2p)m
int
1
0t2nm(1minust)2pmdt
23
Slika 11 Zasuk de Slusove perle za m = 2n = 3p = 1k = 001 okoli osi x
Integracijsko spremenljivko x smo tudi to pot zamenjali z novo spremenljivko
t prek relacije x = at da smo dobili obliko ki jo lahko izrazimo z Eulerje-
vima funkcijama B in Γ
V =πk2ma(m+2n+2p)mB(2nm+12pm+1) =
=πk2ma(m+2n+2p)mΓ(2nm+1)Γ(2pm+1)Γ((2n+2p)m+2)
=
= 2πk2ma(m+2n+2p)m np
(m+2n+2p)(n+p)Γ(2nm)Γ(2pm)
Γ((2n+2p)m)
Poseben primer de Slusove perle
Natančneje bomo obravnavali de Slusovo perlo samo primer za m = n = 2
p = 1 in k = 1a to se pravi krivuljo K ki ima implicitno enačbo ay2 =
x2(a minus x) To pa zato ker se posamezne točke te krivulje da preprosto
konstruirati z osnovnim geometrijskim orodjem
24
Geometrijska konstrukcija in analitična obravnava
Do posameznih točk T krivulje K pridemo s preprosto geometrijsko kon-
strukcijo (slika 12) V pravokotnem kartezičnem koordinatnem sistemu
Oxy načrtamo premico x = a kjer je a pozitivna konstanta Skozi koordi-
natno izhodišče O potegnemo premico p ki ima enačbo y = tx in preseka
premico x = a v točki A(ata) Parameter t smerni koeficient premice p s
katerim je sorazmerna ordinata točkeA bomo kasneje spreminjali V točki
A na p postavimo pravokotnico q ki seka os x v točki B V B načrtamo na
q pravokotnico r ki seka premico x = a v točki C nazadnje pa skozi C še
pravokotnico s na r Presečišče premic p in s naj bo točka T (xy) Sedaj
bomo izrazili njeni koordinati x in y s parametrom t
Slika 12 Konstrukcija točke T de Slusove perle K
Premica q ima enačbo y = minus(x minus a)t + at in preseka os x v točki B(a +
at20) Premica r ima enačbo y = t(x minus aminus at2) in preseka premico x = a v
točki C(aminusat3) premica s pa enačbo y = minus(xminus a)t minus at3 Koordinati točke
T sta rešitvi sistema enačb
y = tx y = minusxminusat
minusat3
25
Po krajšem računu dobimo
x(t) = a(1minus t2) y(t) = at(1minus t2) (3)
To sta parametrični enačbi krivulje K Ko spreminjamo t po vseh realnih
vrednostih oziroma ko A drsi po premici x = a točka T (xy) opiše krivuljo
K (slika 13) z zanko ki spominja na perlo
Če si mislimo da je parameter t čas enačbi (3) predstavljata sestav-
ljeno gibanje točkaste mase v dveh med seboj pravokotnih smereh v koor-
dinatni ravnini v smeri osi x po pravilu prve enačbe v smeri osi y pa po
pravilu druge enačbe Tirnica takega gibanja je krivulja K Podoben le da
bolj preprost primer imamo tudi pri gibanju točkaste mase pri poševnem
metu
Slika 13 De Slusova perla K
Ko se t spreminja od zelo velikih negativnih vrednosti potuje T po
loku v drugem kvadrantu navzdol in doseže za t = minus1 prvič točko O Za
minus1 le t le 0 opiše lok v četrtem kvadrantu odO do temenaD(a0) za 0 le t le 1
opiše lok v prvem kvadrantu od D do točke O ki jo doseže drugič za t = 1
za t gt 1 pa se spusti po loku v tretjem kvadrantu navzdol
26
Če upoštevamo (3) dobimo
x2(t)(aminusx(t)) = a2(1minus t2)2 sdotat2 = a(at(1minus t2))2 = ay2(t)
To pomeni da je ay2 = x2(aminusx) implicitna enačba krivulje K in da je K al-
gebrska krivulja tretje stopnje Krivulja K je simetrična glede na os x Za
točke ki so zelo blizu koordinatnemu izhodiščuO je člen x3 zanemarljivo
majhen v primerjavi s kvadratnima členoma zato je tam enačba krivulje
K približno ay2 = ax2 oziroma (y minusx)(y +x) = 0 Ta enačba razpade na dve
y = x in y = minusx V točki O ima krivulja tangenti y = x in y = minusx ki se sekata
pravokotno V točki D je tangenta na krivuljo premica x = a Krivulja ima
na zanki dve glede na os x simetrično ležeči lokalno ekstremni točki v ka-
terih je tangenta vzporedna z osjo x To sta točki Mplusmn(2a3plusmn2aradic
39) De
Sluse jih je na svojevrsten način pravilno izračunal čeprav je bilo v nje-
govem času računanje z odvodi še v zametkih Da bi pravilnost ekstrem-
nih točk preverili brez odvoda uporabimo kvadrat ekstremne ordinate ki
je y2M = 4a227 in zapišimo izraz
ay2M minusx2(aminusx) = 4a327minusax2 +x3 = (xminus2a3)2(x+a3)
ki je za 0 lt x lt a nenegativen in enak 0 za x = 2a3 To pomeni da je
tedaj x2(a minus x) le 4a327 in največja ordinata na zanki krivulje je 2aradic
39
najmanjša pa minus2aradic
39 oboje pri x = 2a3 (slika 14)
Z uporabo odvoda gre vse veliko hitreje Ordinata y doseže ekstrem
takrat kot ay2 Zato je vseeno če poiščemo ekstrem enostavnejše funkcije
g(x) = x2(a minus x) = ax2 minus x3 Potreben pogoj za to je g prime(x) = 2ax minus 3x2 = 0
Dobimo stacionarni točki x1 = 0 in x2 = 2a3 Uporabimo še g primeprime(x) = 2aminus6x
Ker je g primeprime(x1) = 2a gt 0 in g primeprime(x2) = minus2a lt 0 ima funkcija g v točki x1 lokalni
minimum ki je enak 0 v točki x2 pa lokalni maksimum ki je enak 4a327
27
Slika 14 Lokalna ekstrema na de Slusovi perli K
Ekstremna točka na zanki kjer je tangenta vzporedna z osjo x je očitno
le v x2 kvadrat ekstremne ordinate je tedaj g(x2)a = 4a227 = 12a281
Ekstremni ordinati sta torej plusmn2aradic
39 pri abscisi 2a3
Abscise 2a3 ni težko geometrijsko konstruirati prav tako tudi ne or-
dinate 2aradic
39 ki je 29 razdalje ∣PminusP+∣ = aradic
3 kjer sta Pminus in P+ presečišči
krožnih lokov s središčema v točkahO inD in polmerom ∣OD ∣ To pomeni
da sta točki Pminus in P+ konstruktibilni
Če bi načrtali celotna krajša krožna loka med Pminus in P+ bi dobili med
njima lečast lik ki so mu nekoč rekli rdquovesica piscisrdquo kar dobesedno pomeni
rdquoribji mehurrdquo Lik je bil zelo znan v srednjeveški sakralni umetnosti
Čeprav v de Slusovem času še niso poznali odvoda funkcije v današn-
jem smislu so že vedeli zahvaljujoč Fermatu da ima funkcija v točki
lokalnega ekstrema vodoravno tangento
28
Spremljajoča parabola
Nastajanje krivulje K spremljajo še nekatere druge bolj ali manj znane
krivulje Najprej si oglejmo kaj dobimo če točko O pravokotno projici-
ramo na premice r in spreminjamo parameter t Dobljena projekcija naj
bo R (slika 15)
V prispevku se pogosto sklicujemo na povezavo med smernima koe-
ficientoma premice in pravokotnice nanjo Koeficienta sta si inverzna in
nasprotna Zato zlahka napišemo enačbo premice r in pravokotnice skozi
O nanjo
y = t(xminusaminusat2) y = minusxt
Njuno presečišče R ima koordinati
x(t) = at2 y(t) = minusat
Z izločitvijo parametra t dobimo y2 = ax kar pomeni da točke R pri spre-
minjanju točkeA po premici x = a opišejo parabolo rdquospremljajočo parabolordquo
ki ima gorišče v točki F(a40) in vodnico v z enačbo x = minusa4
Slika 15 De Slusova perla K in spremljajoča parabola
29
Ogrinjače
Ko drsi točka A po premici x = a premice s ogrinjajo neko krivuljo Ks
Premice s so v točki T krivulje K pravokotne na premice skozi O in T
Njeno enačbo dobimo po standardnem postopku Enačba premic s je
F(xyt) = y +xminusat
+at3 = 0
To je enoparametrična družina premic ki ogrinjajo krivuljo Ks imeno-
vano rdquoogrinjačardquo te družine (slika 16) V vsaki točki ogrinjače se jo dotika
ena premica v različnih točkah različne premice družine Enačbo njihove
ogrinjače v implicitni obliki dobimo tako da iz sistema enačb
Slika 16 De Slusova perla K in ogrinjače Ks Kq Kr
F(xyt) = 0partFpartt
(xyt) = 0
izločimo parameter t Iz enačbe
partFpartt
(xyt) = minus(xminusa)t2 +3at2 = 0
30
dobimo najprej xminusa = 3at4 kar vstavimo v prvo enačbo v sistemu in imamo
y = minus4at3 Dobili smo ogrinjačo v parametrični obliki
x(t) = a(1+3t4) y(t) = minus4at3
Izločimo t in enačba iskane ogrinjače Ks v implicitni obliki je pred nami
27y4 = 256a(xminusa)3
Ker je y dobljene krivulje sorazmeren s potenco (x minus a)34 lahko rečemo
da je ogrinjača premic s četrtkubična parabola
Podobno poiščemo ogrinjačo Kq premic q
F(xyt) = yt +xminusaminusat2 = 0partFpartt
(xyt) = y minus2at = 0
Ogrinjača v parametrični obliki je to pot
x(t) = a(1minus t2) y(t) = 2at
Z izločitvijo parametra t dobimo njeno enačbo v implicitni obliki
y2 = minus4a(xminusa)
Dobljena krivulja Kq je parabola z vodnico x = 2a in goriščem v točki O
(slika 16)
Nazadnje po enakem postopku kot doslej poiščemo še ogrinjačo Kr
premic r
F(xyt) = y minus tx+at +at3 = 0partFpartt
(xyt) = minusx+a+3at2 = 0
Ogrinjača v parametrični obliki je potem
x(t) = a(1+3t2) y(t) = 2at3
31
Z izločitvijo parametra t dobimo njeno enačbo še v implicitni obliki
27ay2 = 4(xminusa)3
Dobljena krivulja Kr je polkubična ali Neilova parabola z ostjo v točki
D(a0) kjer ima vodoravno tangento (slika 16) Krivuljo Ks smo up-
ravičeno imenovali četrtkubična parabola Slednja ima v točki D(a0)
navpično tangento
Edinole premice p od tistih ki sodelujejo v konstrukciji točk krivulje
K nimajo ogrinjače Vse premice p namreč potekajo skozi koordinatno
izhodišče O in očitno ne ogrinjajo nobene krivulje
Nožiščne krivulje
Novo krivuljoHprime dobimo če na tangente dane krivuljeH pravokotno pro-
jiciramo izbrano točko Φ Vse projekcije P nožišča točke Φ na tangentah
krivuljeH sestavljajo krivuljoHprime ki jo imenujemo rdquonožiščnardquo ali rdquopedalna
krivuljardquo krivulje H glede na točko Φ
Beseda rdquopedalenrdquo izhaja iz latinske rdquopedalisrdquo kar pomeni rdquonoženrdquo Os-
novna beseda je rdquopesrdquo v rodilniku ednine rdquopedisrdquo kar pomeni rdquonogardquo Od
tod izvirajo tudi besede rdquopedalordquo rdquopedalarrdquo in rdquopedalinrdquo
Poiščimo nekaj nožiščnih krivulj glede na koordinatno izhodišče O
Najprej za krivuljo K ki je poseben primer de Slusove perle Za odvod
v točki T isinK ki ustreza parametru t dobimo
dy
dx(x) =
y
x(t) =
3t2 minus12t
Enačbi tangente v T in pravokotnice skozi O nanjo pa se glasita
y minusat(1minus t2) =3t2 minus1
2t(xminusa(1minus t2)) y =
2t1minus3t2
x
32
Sekata se v točki P s koordinatama
x(t) =a(t2 minus1)2(1minus3t2)
9t4 minus2t2 +1 y(t) =
2at(t2 minus1)2
9t4 minus2t2 +1 (4)
S tem smo našli parametrični enačbi krivulje Kprime (slika 17) Do implicitne
enačbe je dolga pot prek rezultante dveh polinomov spremenljivke t od
katerih je prvi druge drugi pa pete stopnje Najprej opazimo da je v (4)
yx = 2t(1minus 3t2) kar lahko zapišemo kot p(t) = 3yt2 + 2xt minus y = 0 drugo
enačbo pa zapišemo v obliki q(t) = 2at5 minus 9yt4 minus 4at3 + 2yt2 + 2at minus y = 0
Zaradi enostavnosti smo pisali x in y brez argumenta t Da izločimo pa-
rameter t je treba zapisati rdquorezultantordquo R(p(t)q(t)) polinomov p(t) in
q(t) in jo izenačiti z 0 (glej [14])
R(p(t)q(t)) =
RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR
2a minus9y minus4a 2y 2a minusy 0
0 2a minus9y minus4a 2y 2a minusy
3y 2x minusy 0 0 0 0
0 3y 2x minusy 0 0 0
0 0 3y 2x minusy 0 0
0 0 0 3y 2x minusy 0
0 0 0 0 3y 2x minusy
RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR
= 0
Zadnji stolpec je deljiv z y Ker y = 0 ni del iskane nožiščne krivulje pre-
ostane ko izračunamo determinanto in jo okrajšamo z y in preuredimo
27y2(x2 +y2)2 +4ax(x2 minus9y2)(x2 +y2)minus4a2(x2 minusy2)2 = 0
Rezultat je torej algebrska krivulja šeste stopnje Krivulja je simetrična
glede na abscisno os točka O pa je njena posebna točka Za zelo majhne
x in y prevlada zadnji člen kar pomeni da sta premici y = x in y = minusx v O
tangenti na krivuljo
33
Slika 17 Nožiščna krivulja Kprime krivulje K glede na koordinatno izhodišče
Zanka krivulje Kprime nekoliko spominja na srčnico ali kardioido ki jo
opisujejo točke krožnice ki se brez drsenja kotali po enako veliki krožnici
Krivulja Kprime ima še neomejeni del ki se razteza po drugem in tretjem kvad-
rantu Poglejmo kako potuje točka po krivulji v parametrizaciji (4) ko
parameter t teče po številski premici Za t lt minus1 poteka krivulja po tretjem
kvadrantu pri čemer x(t)rarr minusinfin in y(t)rarr minusinfin ko t rarr minusinfin Pri t = minus1 točka
doseže O v obliki osti ki ima za tangento premico y = x Za minus1 lt t lt 0
potuje točka po četrtem kvadrantu doseže točko D pri t = 0 za 0 lt t lt 1
potuje naprej po prvem kvadrantu in pri t = 1 spet doseže O kjer ima
ost s tangento y = minusx nato nadaljuje pot po drugem kvadrantu pri čemer
x(t)rarr minusinfin in y(t)rarrinfin ko trarrinfin
Nožiščna krivulja malo prej obravnavane krivulje Ks glede na točko O
ni nič drugega kot krivulja K Premice s so namreč tangente na Ks nožišča
točke O na njej pa so točke krivulje K Lahko pa to preverimo z računom
34
tako kot smo poiskali nožiščno krivuljo Kprime za K glede na točko O
Za odvod v poljubni točki na Ks ki ustreza parametru t dobimo
dy
dx(x) =
y
x(t) = minus
1t
Enačbi tangente v tej točki in pravokotnice skozi O nanjo pa se glasita
y +4at3 = minus1t(xminusa(1+3t4)) y = tx
Sekata se v točki s koordinatama
x(t) = a(1minus t2) y(t) = at(1minus t2)
To sta ravno parametrični enačbi krivulje K tako da velja Kprimes =K
Podobno ugotovimo tudi da je premica x = a nožiščna krivulja za para-
bolo Kq Premica x = a je tangenta te parabole v temenu V splošnem je
temenska tangenta parabole kar njena nožiščna krivulja glede na gorišče
Ugotovili smo torej da je nožiščna krivulja krivulje Kr spremljajoča para-
bola krivulje K
Ekstremne točke nožiščne krivulje Kprime
Ekstremne točke na zanki krivulje Kprime dobimo iz odvodov
x(t) =2at(1minus t2)(3t2 +1)(9t4 +2t2 minus3)
(9t4 minus2t2 +1)2
y(t) =2a(t2 minus1)(3t2 +1)(3t4 +6t2 minus1)
(9t4 minus2t2 +1)2
Za t = 0 doseže v točki D(a0) abscisa svojo največjo vrednost Za t = plusmn1
poteka krivulja skozi točko O kjer sama sebe preseka pod pravim kotom
ker je yprime(0) = (yx)(plusmn1) = ∓1
35
Najmanjšo absciso na zanki ima krivulja Kprime v točki ki jo določa para-
meter t za katerega velja pogoj 9t4 +2t2 minus3 = 0 To je bikvadratna enačba
katere realni rešitvi sta tplusmn = plusmnradic
2radic
7minus13 ustrezni točki na krivulji pa
izračunamo z enačbama (4) in dobimo
Xplusmn(a(17minus7radic
7)27plusmnaradic
74radic
7minus17227)
Ekstremni ordinati na zanki ima krivulja takrat za tisto vrednost para-
metra t za katerega velja pogoj 3t4 + 6t2 minus 1 = 0 Realni rešitvi te bi-
kvadratne enačbe sta tplusmn = plusmn(3radic
2minusradic
6) 4radic
36 ustrezni točki na krivulji pa
Yplusmn(a(3minusradic
3)3plusmna 4radic123)
Ker v koordinatah ekstremnih točk nastopajo poleg osnovnih aritmetičnih
operacij le kvadratni in bikvadratni (četrti) koreni so te točke konstruk-
tibilne
Cisoida
Spoznali smo enega od načinov pridobivanja novih ravninskih krivulj iz
danih to je z nožišči izbrane točke na tangentah dane krivulje Krivulji
s tem priredimo nožiščno krivuljo glede na izbrano točko Drug tak pre-
prost način kako iz znanih krivulj dobimo nove je cisoidni način Kako
pa ta poteka
Denimo da sta znani krivulji K1 in K2 ter točka O ki ležijo v isti
ravnini Pri tem sta K1 in K2 taki krivulji da vsaka premica p skozi O
ki seka K1 v neki točki T1 seka tudi K2 recimo v točki T2 (slika 18) Za
vsak T1 označimo na p točko T tako da veljaETHOT =
ETHETHT1T2 Ko T1 potuje po
K1 T opiše krivuljo C ki jo imenujemo cisoida krivulj K1 in K2 glede na
točko O Definicije take cisoide se nekoliko razlikujejo od vira do vira
36
Slika 18 Krivulja C je cisoida krivulj K1 in K2 glede na točko O
Dioklova cisoida s katero rešimo problem podvojitve kocke je cisoida
krožnice x2 + y2 = ax in premice x = a glede na koordinatno izhodišče O
Več o cisoidah in njihovi uporabi je napisanega na primer v [8]
Krivulja K je povezana tudi s polkubično ali semikubno ali Neilovo
parabolo poimenovano po Williamu Neilu (1637ndash1680) Parametrični
enačbi (3) lahko zapišemo v vektorski obliki v standardni bazi kot razliko
kolinearnih vektorjev
r(t) = (x(t)y(t)) =ETHOT = (a(1minus t2)at(1minus t2)) = (aat)minus (at2at3)
Vektor r1(t) = (aat) = (a0)+at(01) je enačba premice x = a v parametrični
obliki vektor r2(t) = (at2at3) pa polkubične parabole ki ima enačbo ay2 =
x3 in ost v točkiO Parameter t geometrijsko pomeni tangens naklonskega
kota premice OA (slika 13)
Premica y = tx poteka skozi koordinatno izhodišče O in seka premico
x = a v točkiA(aat) zato jeETHOA = r1 Ista premica seka polkubično parabolo
P ki ima enačbo ay2 = x3 v točki P (at2at3) tako da jeETHOP = r2 S tem je
ETHPA =
ETHOAminus
ETHOP = r1minus r2 = r To pomeni da je r =
ETHOT =
ETHOAminus
ETHOP Potemtakem
je krivulja K cisoida polkubične parabole P z enačbo ay2 = x3 in premice
37
Slika 19 De Slusova perla K kot cisoidna krivulja
x = a glede na točko O (slika 19)
Neilova parabola in ločna dolžina
Neilova ali polkubična parabola ay2 = x3 je bila v zgodovini matematike
pomembna kot ena prvih krivulj za katero so znali izračunati ločno dolžino
Prav prvi je to znal John Wallis (1616ndash1703) leta 1657
Denimo da nas zanima ločna dolžina `(b) te krivulje nad intervalom
[0b] (slika 20) Znano je da lahko uporabimo formulo za ločno dolžino
krivulje ki je dana v eksplicitni obliki
`(b) = intb
0
radic
1+yprime2dx
Pri tem je y = f (x) enačba krivulje in yprime = f prime(x) V našem primeru je y =
38
Slika 20 Neilova ali polkubična parabola
f (x) = plusmnradicx3a Kratek račun nam da yprime2 = 9x(4a) in
`(b) = intb
0
radic
1+9x4adx
Z uvedbo nove integracijske spremenljivke u z relacijo u2 = 1 + 9x(4a)
dobimo
`(b) =8a9 int
c
1u2du =
8a27
(c3 minus1)
pri čemer je c =radic
1+9b(4a)
Leibnizeva izohrona je krivulja po kateri se je leta 1687 vprašal G W
Leibniz Poiskati je treba v navpični ravnini krivuljo po kateri se brez
trenja giblje točkasta masa ki je podvržena konstantnemu težnostnemu
polju tako da je navpična komponenta njene hitrosti ves čas konstantna
Nalogo je prvi rešil C Huygens nizozemski astronom fizik in matema-
tik znan tudi po odkritju Saturnovega satelita Titana in znamenitih Sat-
urnovih obročev ter po izdelavi prve ure na nihalo kar je bilo za tiste čase
velik napredek v merjenju točnega časa
39
Slika 21 Leibnizeva izohrona
Izhodišče O postavimo v najvišjo točko krivulje (slika 21) V tej točki
je horizontalna hitrost premikajoče se mase m enaka 0 Naj bo v0 njegova
navpična hitrost navzdol Os y je vodoravna os x pa usmerjena navz-
dol Potencialno energijo mase računamo nad izbranim nivojem spodaj V
skladu z načelom ohranitve mehanske energije v času t in času 0 potem
velja12mv2(t)+mg(hminusx(t)) =
12mv2
0 +mgh
Pri tem je g težni pospešek Po poenostavitvi dobimo v2(t) = 2gx(t)+ v20
Vektor hitrosti ima v vsakem trenutku med seboj pravokotni komponenti
v(t) = (x(t) y(t)) za t = 0 pa v(0) = (v00) Upoštevamo da je ∣v(t)∣2 =
v2(t) = x2(t) + y2(t) in da je x(t) = v0 pa imamo sistem diferencialnih
enačb
x(t) = v0 y(t) =radic
2gx(t)
ki ga rešimo pri začetnih pogojih x(0) = y(0) = 0 in dobimo
x(t) = v0t y(t) =23
radic2gv0t3
40
Koordinati točk na dobljeni krivulji zadoščajo enačbi
ay2 = x3 a =9v2
0
8g
Pri dani konstanti a je v0 = (23)radic
2ag Iskana krivulja je torej Neilova
parabola Ime izohrona je dobila zato ker točkasta masa po vertikali
v enakih časih prepotuje enake razdalje V grščini beseda ἴσος pomeni
rdquoenakrdquo χρόνος pa rdquočasrdquo
Dolžina ` zanke krivulje K nas pripelje do zapletenega eliptičnega in-
tegrala za katerega zapišimo približno vrednost
` = 2aint1
0
radic9t4 minus2t2 +1dt ≐ 271559186a
Pač pa je dolžina loka ` četrtkubične parabole Ks ogrinjače premic s bolj
prijazna Za dolžino loka od točke D ki ustreza parametru t = 0 do točke
ki ustreza parametru t = α dobimo
` = 12aintα
0t2
radic1+ t2dt =
3a2
(α(1+2α2)radic
1+α2 minus ln(α +radic
1+α2))
Prav tako dolžina loka ` navadne parabole Kq ogrinjače premic q ne
dela težav Za dolžino loka od točke D ki ustreza parametru t = 0 do
točke ki ustreza parametru t = α dobimo
` = 2aintα
0
radic1+ t2dt = a(α
radic1+α2 + ln(α +
radic1+α2))
Za spremljajočo parabolo dobimo prav tako enostaven rezultat za ločno
dolžino od točke O do točke ki ustreza parametru t = α
` = intα
0
radic1+4t2dt =
a4(2α
radic1+4α2 + ln(2α +
radic1+4α2))
Nazadnje zapišimo še ločno dolžino polkubične parabole Kr
` = 6aintα
0tradic
1+ t2dt = 2a((1+α2)radic
1+α2 minus1)
41
Pri vseh zgornjih primerih je parameter t strmina premice p v prvotni
konstrukciji krivulje K
Ploščine in prostornine
Ploščina S lika ki ga omejuje zanka krivulje K je
S =2radica int
a
0xradicaminusxdx
Z uvedbo nove integracijske spremenljivke t z relacijo aminusx = t2 je
S =4radica int
radica
0t2(aminus t2)dt =
4radica int
radica
0(at2 minus t4)dt =
8a2
15
Lahko pa jo izrazimo tudi s splošno formulo ki smo jo izpeljali na začetku
razdelka S to formulo lahko izrazimo še prostornino V telesa ki ga pri
rotaciji okoli osi x opiše lik
V =πa int
a
0x2(aminusx)dx =
πa3
12
To je ravno polovica prostornine krogle s premerom a
Pač pa je izraz za ploščino S prime lika ki ga omejuje zanka krivulje Kprime bolj
zapleten izraz Uporabimo parametrični enačbi (4) in dobimo
S prime = int1
0(x(t)y(t)minus x(t)y(t))dt = 2a2
int
1
0
(1minus t2)3(1+2t2 minus3t4)(9t4 minus2t2 +1)2 dt
Če se zanesemo na računalniško računanje določenih integralov potem je
S prime =2a2
729(3(43πminus28)+52
radic2ln(1+
radic2))
kar je približno S prime ≐ 1059206796a2 Do enakega rezultata pridemo z
navidez enostavnejšo formulo
S prime = 2inta
0y(x)dx
42
toda drugim težjim integralom
S prime = 2int0
1y(t)x(t)dt = minus8a2
int
1
0
t2(1minus t2)3(3t2 +1)(9t4 +2t2 minus3)(9t4 minus2t2 +1)3 dt
Zakaj smo integrirali po parametru t od 1 do 0 Zato ker abscisa x narašča
od 0 do a ko t pada od 1 do 0 Ordinata y pa je pri tem nenegativna (glej
izraza (4))
Tudi izraz za prostornino V prime telesa ki ga pri rotaciji okoli osi x opiše
lik omejen s Kprime je navidez enostaven
V prime =πinta
0y2(x)dx
toda s parametrom t je zapleten a eksaktno izračunljiv
V prime =πint0
1y2(t)x(t)dt = 8πint
1
0
t3(t2 minus1)5(3t2 +1))(9t4 +2t2 minus3)(9t4 minus2t2 +1)4 dt
Za rezultat dobimo
V prime =2πa3
19683(431π
radic2+369+744ln2)
kar je približno V prime ≐ 08936800975a3
Naj bo s tem računanja integralov dovolj V nadaljevanju se bomo
posvetili nekaterim lažjim problemom
Tangenta
Pri krivuljah v koordinatnem sistemu Oxy so pomembni štirje dotikalni
elementi za posamezne točke T odsek na tangenti ∣TA∣ odsek na normali
∣T B∣ subtangenta ∣AT prime∣ in subnormala ∣BT prime∣ (slika 23) Izražajo se takole
∣TA∣ = ∣y
yprime
radic
1+yprime2∣ ∣T B∣ = ∣yradic
1+yprime2∣ ∣T primeA∣ = ∣y
yprime∣ ∣T primeB∣ = ∣yyprime∣
43
Slika 22 Ploščini likov omejenih z zankama krivulj K in Kprime
Pri tem pomeni yprime = f prime(x) če je enačba krivulje y = f (x) Točka T prime je pra-
vokotna projekcija točke T na abscisno os A je presečišče tangente na
krivuljo v točki T z osjo x B pa presečišče normale z osjo x Dotikalni
elementi so posebej definirani tudi za krivulje v polarnih koordinatah
Slika 23 Dotikalni elementi krivulje
De Sluse je za algebrsko krivuljo f (xy) = 0 po svoje našel izraz za sub-
tangento ts to je pravokotno projekcijo odseka na tangenti
44
na os x V današnji pisavi se subtangenta izraža v obliki
ts = minusy
partfparty (xy)
partfpartx (xy)
Za krivuljo K je f (xy) = ay2 minusx2(aminusx) = 0 in
ts =2x(xminusa)3xminus2a
Lotimo se še konstrukcije tangente t in normale n naK v točki T0(x0y0) ne
O ki enolično določa točko A(aay0x0) kot presečišče premice p skozi O
in T0 s premico x = a Skozi A povlecimo vzporednico nprime z normalo n na K
v točki T0 Normala ima smerni koeficient kn = tsy0 oziroma
kn =
partfparty (x0y0)
partfpartx (x0y0)
=2ay0
x0(3x0 minus2a)
Premica nprime ima enačbo
y minusay0
x0=
2ay0
x0(3x0 minus2a)(xminusx0)
in preseka abscisno os v točki T1(x10) za katero po krajšem računu do-
bimo x1 = 2a minus 3x02 Točko T1 in premico nprime zlahka geometrijsko kon-
struiramo Iskana tangenta t v točki T0 je pravokotna na nprime normala n pa
vzporedna z nprime (slika 24)
Inverzija krivulje K na krožnici
Po navadi za ravninske krivulje pogledamo še njihove inverzne slike na
krožnici Inverzija ali zrcaljenje na krožnici x2 + y2 = r2 je ravninska pres-
likava ι definirana s predpisom
ι ∶ (xy)↦ (r2x
x2 +y2 r2y
x2 +y2)
45
Slika 24 Tangenta in normala na krivuljo K
S spreminjanjem polmera r krožnice dobimo med seboj podobne krivulje
Če zrcalimo na krožnici x2 + y2 = a2 krivuljo K ki ima implicitno enačbo
(2) dobimo krivuljo Klowast ki ima enačbo
y4 = minusx3(aminusx)
ki je formalno oblike (2) zam = 4n = 3p = 1 in k = minus1 Dobljena krivuljaKlowast
je simetrična glede na os x ima dve veji abscisa na njej doseže ekstremni
vrednosti v točkah O(00) in D(a0) Ima pa kot bomo videli tudi dve
asimptoti y = xminusa4 in y = minusx+a4 (slika 25)
Krivuljo Klowast se da lepo parametrizirati s parametrom τ če v njeno
enačbo y4 = minusx3(aminusx) vstavimo y = τx Dobimo
x(τ) =a
1minusτ4 y(τ) =aτ
1minusτ4
To sta parametrični enačbi krivulje Klowast
Ko τ uarr minus1 x(τ)rarr minusinfin in y(τ)rarr +infin ko τ darr minus1 x(τ)rarr +infin in y(τ)rarr minusinfin
ko τ uarr +1 x(τ)rarr +infin in y(τ)rarr +infin ko τ darr +1 x(τ)rarr minusinfin in y(τ)rarr minusinfin
46
Slika 25 Inverzna slika Klowast krivulje K
Konstanti k in n poševne asimptote y = kx + n krivulje Klowast dobimo s
formulama
k = limxrarrplusmninfin
y
x n = lim
xrarrplusmninfin(y minus kx)
V našem primeru je
k = limxrarrplusmninfin
y
x= limτrarrplusmn1
τ = plusmn1 n = a limτrarrplusmn1
τ ∓11minusτ4 = ∓
a4
Poševni asimptoti sta torej premici y = plusmn(xminusa4)
Obnašanje krivulje v okolici točke D utemeljimo če zapišemo impli-
citno obliko krivulje nekoliko drugače
y4 = (xminusa)x3 = (xminusa)(a+(xminusa))3 = a3(xminusa)+3a2(xminusa)2+3a(xminusa)3+(xminusa)4
47
Slika 26 Krivulja Klowast in približka v okolici točk O in D
Za x ki je zelo blizu a prevlada na desni prvi člen tako da je y4 asymp a3(xminusa)
Razlika xminusa se torej obnaša približno tako kot bikvadrat ordinate y
V okolici točke O kjer so abscise negativne iz istega razloga velja y4 asymp
minusax3 zato se tam krivulja obnaša približno tako kot četrtkubična parabola
(slika 26)
Inverzija krivulje Kprime na krožnici
Na krožnici x2 + y2 = a2 zrcalimo še krivuljo Kprime nožiščno krivuljo krivulje
K glede na točko O Dobimo dvodelno krivuljo Kprimelowast kakršno vidimo na
sliki 27
Enačba nove krivulje v implicitni obliki je
4(x2 minusy2)2 minus4ax(x2 minus9y2)minus27a2y2 = 0
48
Slika 27 Inverzna slika Kprimelowast krivulje Kprime
Krivulja je algebrska četrte stopnje je simetrična glede na os x ima ost
z vodoravno tangento v točki O skozi točko D pa poteka v blagem loku
Natančneje ugotovimo približni potek krivulje v okolici teh dveh točk če
v zgornji enačbi obdržimo prevladujoče člene V okolici točke O kjer so
abscise negativne je ay2 asymp minus4x327 torej približno tako kot polkubična
parabola V okolici točke D(a0) je y2 asymp minus4a(x minus a) kar pomeni da se
krivulja obnaša približno tako kot parabola
Pritisnjeni krožnici na K
Pritisnjeni krožnici v točki O na krivuljo K sta inverzni sliki asimptot
krivulje Klowast na krožnici x2 + y2 = a2 Preprost račun pokaže da se asimp-
toti krivulje Klowast z inverzijo ι preslikata v krožnici x2 + y2 plusmn4ay minus4ax = 0 ki
imata središči v točkah Splusmn(2aplusmn2a) in polmer 2aradic
2 Sekata se pavokotno
v točkah O in M(4a0) Inverzija ι namreč ohranja kote (slika 28)
49
Slika 28 Pritisnjeni krožnici na krivuljo K v točki O
Ukrivljenost κ(t) krivulje K v točki ki ustreza parametru t brez težav
izračunamo iz njenih parametričnih enačb (3)
κ(t) =2(3t2 +1)
a(1minus2t2 +9t4)32
V posebnem primeru je v točki O to se pravi za t = plusmn1 ukrivljenost enaka
κ(plusmn1) = 1(2aradic
2) zato sta v O polmera pritisnjenih krožnic 1κ(plusmn1) =
2aradic
2 kar se seveda ujema z rezultatom dobljenim z inverzijo na krožnici
Toksoida
Videli smo da je inverzna slika krivulje K krivulja Klowast ki ima enačbo y4 =
minusx3(aminusx) ki je formalno oblike (2) zam = 4n = 3p = 1 in k = minus1 Prav tako
je krivulja ay2 = minusx2(aminus x) ki jo dobimo iz enačbe ay2 = x2(aminus x) krivulje
K če zamenjamo aminus x z x minus a formalno oblike (2) za m = 2n = 2p = 1 in
50
k = minus1a Krivuljo označimo jo s T ki ima enačbo
ay2 = x2(xminusa)
je nemški amaterski matematik samouk in izumitelj Diedrich (tudi Diede-
rich) Uhlhorn (1764ndash1837) imenoval rdquotoksoidardquo V svojem delu [13] obrav-
nava več krivulj in za nekatere tudi opiše mehanske naprave s katerimi
se jih da risati pa tudi njihovo uporabo pri reševanje enačb Beseda rdquotok-
soidardquo izvira iz dveh grških τόξον kar pomeni rdquolokrdquo (kot orožje) pa tudi
rdquopuščicardquo in εἶδος kar med drugim pomeni rdquooblika podobardquo D Uhlhorn
je imenoval krivuljo v nemščini rdquoBogenlinierdquo ker nemški samostalnik rdquoBo-
genrdquo pomeni prav tako rdquolokrdquo Iz besede τόξον smo dobili tudi besede ki
so povezane s strupi kajti bojne puščice so bile često zastrupljene
Slika 29 Toksoida
Toksoida ima tudi izolirano točkoO(00) saj njeni koordinati zadoščata
implicitni enačbi
Iz implicitne enačbe toksoide dobimo z zamenjavo y = tx njeni parametri-
čni enačbi
x(t) = a(1+ t2) y(t) = at(1+ t2) (5)
ki pa ne vključujeta izolirane točke O
51
Toksoida je algebrska krivulja tretje stopnje simetrična glede na os x
ki jo preseka za t = 0 v točki D(a0) kjer ima navpično tangento Krivulja
na prvi pogled ni nič posebnega a že D Uhlhorn je pokazal kako se kon-
struira njene posamezne točke in kako se z njo podvoji kocko
Slika 30 Konstrukcija točk toksoide
Do točke T na toksoidi pridemo takole V koordinatnem sistemu Oxy
za pozitiven a določimo točko D(a0) in skoznjo konstruiramo pravokot-
nico na os x torej premico x = a (slika 30) Na tej premici izberemo točko
A ki jo bomo spreminjali da bomo dobili krivuljo Skozi O in A nato
načrtamo premico p v A pa nanjo pravokotnico q ki seka abscisno os v
točki B V B postavimo na abscisno os pravokotnico r ki preseka premico
p v točki T Ko A potuje po premici x = a točka T opiše toksoido T brez
izolirane točke O
Da res dobimo toksoido T je treba samo zapisati enačbi y = tx premice
p in y = minus(x minus a)t + at premice q ter točki A(aat) in B(a(1 + t2)0) ter
T (a(1+t2)at(1+t2)) Koordinati točke T pa res dasta paramatrični enačbi
52
toksoide
Slika 31 Konstrukcija srednjih geometrijskih sorazmernic s toksoido
Iz podobnih trikotnikov ODA OAB in OBT na sliki 30 sledi relacija
∣OD ∣
∣OA∣=∣OA∣
∣OB∣=
∣OB∣∣OT ∣
kar pomeni da sta ∣OA∣ in ∣OB∣ srednji geometrijski sorazmernici daljic
∣OD ∣ = a in ∣OT ∣ = b Zato lahko izrazimo ∣OA∣ =3radica2b in ∣OB∣ =
3radicab2 na isti
način kot pri (3)
Če imamo že načrtano toksoido T potem srednji geometrijski sorazmer-
nici za a in b gt a dobimo tako da poiščemo presečišče T krožnice s sredi-
ščem v O skozi točko C(b0) in na zgoraj opisan način poiščemo premice
pq in r ter točki A in B (slika 31) Za b = 2a na ta način rešimo problem
podvojitve kocke ∣OA∣ = a 3radic
2
Ukrivljenost κ(t) toksoide T v točki ki ustreza parametru t brez težav
53
izračunamo iz njenih parametričnih enačb (5)
κ(t) =2(3t2 minus1)
a(1+10t2 +9t4)32
Opazimo da ukrivljenost menja predznak pri t = plusmn1radic
3 kar nam da točki
Pplusmn(4a3plusmn4aradic
39) v katerih ima T prevoja s tangentama s smernima koe-
ficientoma plusmnradic
3 Tangenti oklepata z osjo x kota plusmnπ3 Pritisnjena krožnica
v točki D ki ustreza t = 0 ima za polmer 1∣κ(0)∣ = a2 in središče v točki
S(3a20) (slika 32)
Slika 32 Prevoja toksoide T in pritisnjena krožnica v točki D
Prevoja sta konstruktibilna pri čemer si lahko pomagamo z vesico pis-
cis nad daljico OD Njeni točki Vplusmn sta narazen za aradic
3 premici skozi O
in Vplusmn pa določata smeri tangent v prevojih Prav tako je konstruktibilna
točka S V okolici točk D in Pplusmn je ujemanje toksoide s pritisnjeno krožnico
v D in tangentama v prevojih Pplusmn zelo dobro
54
Enačba toksoide T v polarnih koordinatah in ϕ je
(ϕ) =a
cos3ϕ
kar sledi iz njene implicitne oblike
a(x2 +y2) = x3
Pri tem je treba le upoštevati zvezi x2 +y2 = 2 in x = cosϕ
Polarna oblika je zelo primerna za študij inverzije na krožnici s središčem
v točki O in polmerom R Če je namreč lowast polarni polmer invertirane
krivulje mora veljati relacija
(ϕ)lowast(ϕ) =R2
Če izberemo R = a dobimo za inverzno sliko toksoide T krivuljo (slika 33)
T lowast ki ima nasledno enačbo v polarnih koordinatah
lowast(ϕ) = acos3ϕ
Slika 33 Inverzna slika T lowast toksoide T
55
Iz polarne oblike krivulje T lowast hitro izpeljemo še njeno implicitno enačbo
(x2 +y2)2 = ax3
Torej je T lowast algebrska krivulja četrte stopnje
Ploščino S lika ki ga ograjuje krivulja T lowast izračunamo po znani for-
muli
S = 2 sdot12 int
π2
0lowast2(ϕ)dϕ = a2
int
π2
0cos6ϕdϕ = a2 sdot
56
sdotπ2=
5πa2
32
Krivulja T lowast je simetrična glede na os x v točkah O in D ima navpični
tangenti največji odklon od osi x pa doseže v točkah Yplusmn(9a16plusmn3aradic
316)
kjer ima vodoravni tangenti in sicer pri polarnih kotih plusmnπ6
De Slusove pomnoževalke hiperkock
Podvojitev kocke je kot vemo klasični grški geometrijski problem ki se ga
ne da rešiti evklidsko to je samo z neoznačenim ravnilom in šestilom kar
so dokazali šele v 19 stoletju Problem zahteva določiti rob kocke ki ima
prostornino enako dvakratniku prostornine dane kocke To pomeni da
je treba za dano daljico a konstruirati tako daljico b za katero je b = a 3radic
2
Problem podvojitve kocke so Grki znali rešiti na več načinov Eden od njih
je možen s posebno ravninsko krivuljo z Dioklovo cisoido (več na primer
v [7])
Povsem smiselno se je vprašati kako bi pomnožili s faktorjem s gt 0
poljubno r-razsežno hiperkocko z robom a Njena prostornina je ar zato
je b = a rradics rob hiperkocke katere prostornina je s-kratnik prostornine
hiperkocke z robom a Dva primera sta trivialna Za r = 1 imamo daljico
56
njena rdquoprostorninardquo je kar njena dolžina a za r = 2 pa kvadrat čigar rdquopros-
torninardquo je kar njegova ploščina a2 Za r = 3 imamo opraviti z običajno
kocko z običajno prostornino a3 V prvih dveh primerih množenje s fak-
torjem s ni problematično saj s problemom lahko geometrijsko rešimo s
podobnimi trikotniki in z višinskim izrekom v pravokotnem trikotniku
Za r ge 4 si r-razsežno hiperkocko teže predstavljamo ker je ne moremo
realizirati z običajno geometrijo To pa ni ovira pri pomnožitvi take hiper-
kocke s številom s ker moramo znati samo njen rob a geometrijsko pom-
nožiti s številom rradics kar pa lahko naredimo v običajni ravnini V mate-
matični analizi je r-razsežna hiperkocka z robom a na primer kar r-kratni
kartezični produkt intervala [minusa2a2] s samim seboj to je množica
[minusa2a2]r = (x1x2 xr) isinRr ∶ ∣x1∣ le a2 ∣x2∣ le a2 ∣xr ∣ le a2
Oglejmo si de Slusove perle (2) z eksponenti mn =mminus 1 in p = 1 fak-
torjem k = 1 ter a gt 0 pri čemer je m sodo število to se pravi krivulje z
implicitno enačbo
ym = xmminus1(aminusx) (6)
oziroma xm + ym = axmminus1 Pri danem m označimo ustrezno krivuljo s Hm
Med njimi je tudi stara znanka x2 + y2 = ax krožnica s polmerom a2
in središčem v točki S(a20) Skupne vsem krivuljam so točke O(00)
Cplusmn(a2plusmna2) D(a0) ter navpični tangenti v O in D Krivulje Hm so za-
ključene in simetrične glede na os x in se dajo lepo parametrizirati z y = tx
Za vsako dobimo parametrično enačbo
x(t) =a
1+ tm y(t) =
at1+ tm
(7)
Najbolj se taka krivulja oddalji od abscisne osi za t = 1 mradicmminus1 v točkah
Yplusmn(a(mminus1)mplusmnam mradic
(mminus1)mminus1) Za t = 0 dobimo točko D za ∣t∣rarrinfin pa
57
se krivulja bliža točki O Slika 34 kaže nekaj primerov
Slika 34 Nekaj krivulj Hm
Naj bo s poljubno pozitivno število in A(0as) točka na osi y Premica
skozi A in D preseka krivuljo Hm v točkah D(a0) in B(x0y0) za katero
potrebujemo samo razmerje y0x0 Na sliki 35 je izbran eksponent m = 4
Premica skozi A in D ima enačbo xa+sya = 1 iz katere izrazimo aminusx = sy
in vstavimo v enačbo (6) Dobimo ym = ysxmminus1 Ker iščemo točko B s
pozitivno ordinato lahko z y krajšamo in dobimo y0x0 =mminus1radics
Premica skozi O in B ima enačbo y = y0xx0 in preseka premico x = a
v točki C(aay0x0) oziroma C(aa mminus1radics) Zato je ∣DC∣ = ∣OD ∣ mminus1
radics) V
primeru m = 4 in s = 2 je ∣DC∣ = ∣OD ∣3radic
2) kar pomeni da se nam je pos-
rečilo podvojiti trirazsežno kocko Za s = 3 kocko potrojimo za s = 4
početverimo itd Še več zam = 6 in s = 2 podvojimo 5-razsežno hiperkocko
58
za s = 3 jo potrojimo za s = 4 početverimo itd
Slika 35 Krivulja H4 in pomnožitev roba trirazsežne kocke
Lihih m nam ni treba posebej obravnavati ker krivulje Hm ne bi bile
prave de Slusove perle Poleg tega bi tedaj bil mminus 1 sodo število denimo
m minus 1 = 2αq z naravnim α in lihim q Korenjenje se potem da izvesti z
α-kratnim kvadratnim korenjenjem in enim q-tim korenjenjem s krivuljo
Hq+1 kakor smo zgoraj opisali
Drug način za pomnožitev hiperkock poteka s cisoidami Cm krivuljHm
in premice x = a Pri parametru t premica y = tx preseka premico x = a
v točki C(aat) točka B pa ima tedaj koordinati dani z parametričnima
enačbama (7) S koordinatami točk B in C imamo takoj
ETHBC = (aminus
a1+ tm
at minusat
1+ tm) = (
atm
1+ tmatm+1
1+ tm)
59
Slika 36 Nekaj krivulj Cm
Da bo točka T na cisoidi Cm mora veljati zvezaETHOT =
ETHBC Potemtakem ima
Cm parametrični enačbi
x(t) =atm
1+ tm y(t) =
atm+1
1+ tm (8)
Ker je t = yx dobimo še implicitno enačbo krivulje Cm
xm+1 = ym(aminusx) (9)
oziroma x(xm+ym) = aym Krivulje so za sodem definirane nad intervalom
60
[0a) so simetrične glede na os x imajo za asimptoto premico x = a in
potekajo skozi koordinatno izhodišče O in točki Cplusmn(a2plusmna2) Asimptoti
se krivulja bliža ko ∣t∣ rarr infin V točki O pri t = 0 imajo ost z vodoravno
tangento Za m = 2 dobimo staro znanko Dioklovo cisoido
Slika 37 Krivulja C4 in pomnožitev roba 5-razsežne hiperkocke
Izberimo sedaj na ordinatni osi točko A(0as) pri čemer je s pozi-
tivno število in vzemimo premico skozi točki A in D (slika 37) Ta ima
enačbo xa + y(as) = 1 iz katere izrazimo a minus x = ys Premica preseka
cisoido Cm v točki M(x0y0) s pozitivno ordinato Iz enačb premice skozi
A in D in (9) dobimo y0x0 = m+1radics Premica skozi točki O in M ima
enačbo y = y0xx0 in preseka premico x = a v točki E(aa m+1radics) Torej velja
61
zveza ∣DE∣ = ∣OD ∣ m+1radics kar pomeni da smo našli rob (m + 1)-razsežne
hiperkocke ki ima za prostornino s-kratnik prostornine dane (m + 1)-
razsežne hiperkocke
Naj bo Sm ploščina lika ki ga omejuje krivulja Hm in Qm ploščina
neomejenega lika ki ga omejuje krivulja Cm z asimptoto Ni ju težko
izraziti
Pm =a2(mminus1)πm2 sin π
m Qm =
a2(m+1)πm2 sin π
m
Nadalje naj bo Vm prostornina telesa ki nastane z rotacijo krivulje Hm
okoli osi x Wm pa prostornina neomejenega telesa ki nastane z rotacijo
krivulje Cm okoli osi x Prav tako ju ni težko izraziti
Vm =2a3(mminus1)(mminus2)π2
3m3 sin 2πm
Wm =2a3(m+1)(m+2)π2
3m3 sin 2πm
Ploščine in prostornine so poleg drugega zanimale že matematike v
17 stoletju zlasti C Huygensa Izračunajmo prostornino telesa Um ki
nastane z rotacijo lika med cisoido in njeno asimptoto okoli te asimptote
(slika 38) Uporabili bomo sodobne zapise in Eulerjevi funkciji B in Γ ki
ju C Huygens še ni mogel poznati Presek nastalega telesa na višini y je
krog s polmerom aminusx in ploščino π(aminusx)2 Upoštevamo še simetrijo lika
glede na os x uporabimo parametrično obliko (8) in nastavimo integral
Um = 2πintinfin
0(aminusx(t))2y(t)dt = 2πa3
int
infin
0
tm(tm +m+1)(1+ tm)4 dt
ki ga lahko izrazimo v obliki
Um = 2πa3(I2 + (mminus1)I3 minusmI4)
pri čemer je
Ik = intinfin
0
dt
(1+ tm)k
62
ki ima za m ge 2 in k ge 1 končno vrednost S substitucijo u = 1(1 + tm)
dobimo
Ik =1m int
1
0ukminus1minus1m(1minusu)1mminus1du =
1m
B(kminus1m1m) =Γ(k minus1m)Γ(1m)
mΓ(k)
Na koncu je rezultat zelo preprost
Um =2π2a3(m2 minus1)
3m3 sin πm
Prve tri prostornine so
U2 =π2a3
4 U4 =
5radic
2π2a3
32 U6 =
35π2a3
162
Slika 38 Telo nastalo z zasukom lika med krivuljo C2 in njeno asimptoto
okoli te asimptote
Izračunajmo prostornino telesa Um ki nastane z rotacijo lika med cisoido
in njeno asimptoto okoli osi y (slika 39) Presek nastalega telesa na višini y
63
je krožni kolobar z notranjim polmerom x in zunanjim polmerom a ki ima
ploščino π(a2minusx2) Upoštevamo še simetrijo lika glede na os x uporabimo
parametrično obliko (8) in nastavimo integral
Um = 2πintinfin
0(a2 minusx2(t))y(t)dt = 2πa3
int
infin
0
tm(tm +m+1)(2tm +1)(1+ tm)4 dt
ki ga lahko izrazimo z zgoraj vpeljanimi integrali Ik v obliki
Um = 2πa3(2I1 + (2mminus3)I2 minus (3mminus1)I3 +mI4)
Na koncu dobimo za rezultat
Um =2π2a3(m+1)(2m+1)
3m3 sin πm
Prve tri prostornine so
U2 =5π2a3
4 U4 =
15radic
2π2a3
32 U6 =
91π2a3
162
V 17 stoletju so se zanimali tudi za težišča homogenih likov in teles
Lik ki ga omejuje krivulja Hm ima težišče na abscisni osi oddaljen za xT
od osi y Da bi lahko poiskali xT moramo najprej izračunati za ta lik
moment
Mm = 2inta
0xy dx = 2int
0
infinx(t)y(t)xdt = 2a3mint
infin
0
tm
(1+ tm)4 dt
Izrazimo z integrali Ik in dobimo
Mm = 2a3m(I3 minus I4) =πa3(mminus1)(2mminus1)
3m3 sin πm
Abscisa težišča lika je potem kvocient momenta Mm in ploščine Sm
xT =(2mminus1)a
3m
64
Slika 39 Telo nastalo z zasukom lika med krivuljo C2 in njeno asimptoto
okoli osi y
Lik omejen s krivuljo Cm ima težišče na abscisni osi oddaljen za xC
od osi y Da bi poiskali xC uporabimo kar PaposndashGuldinovo pravilo za
prostornino vrtenine
2πxC sdotQm = Um
kjer je Qm ploščina lika ki ga rotiramo okoli osi y Rezultat je proti vsem
pričakovanjem zelo preprost
xC =(2m+1)a
3m
Poznoantični matematik Papos iz Aleksandrije (290ndash350) v grščini Πάπ-
πος ὁ Αλεξανδρεύς v latinščini Pappus je pomemben ker je zbral prak-
tično vse dotakratno matematično znanje Grkov in dodal še marsikaj svo-
65
jega Njegovo najpomembnejše delo je rdquoZbirkardquo v grščini Συναγωγή Uk-
varjal se je tudi s klasičnimi grškimi geometrijskimi problemi
Jezuit Paul Guldin (1577ndash1643) je bil švicarski matematik in astronom
profesor matematike na Dunaju in v Gradcu Pred tem je študiral v Rimu
Skupaj s Paposom je znan
po pravilih za izračun prostornine rotacijskega telesa in površine rotacij-
ske ploskve
Slika 40 Telo nastalo z zasukom lika ki ga omejuje H4 okoli osi y
ProstorninaXm vrtenine ki nastane z rotacijo lika omejenega s krivuljo
Hm okoli osi y je po PaposndashGuldinovem pravilu za prostornino enaka
Xm = 2πxT sdot Pm = 2π(2mminus1)a
3msdota2(mminus1)πm2 sin π
m=
2π2a3(2mminus1)(mminus1)3m3 sin π
m
Slika 40 kaže vrtenino za primer krivulje H4 Podobne slike bi dobili tudi
za druge Hm
Če isti lik rotiramo okoli premice x = a tangente na krivuljo Hm v
točki D dobimo vrtenino s prostornino Ym ki jo izračunamo prav tako
66
po PaposndashGuldinovem pravilu za prostornino in dobimo
Ym = 2π(aminusxT ) sdot Pm = 2π(m+1)a
3msdota2(mminus1)πm2 sin π
m=
2π2a3(m2 minus1)3m3 sin π
m
Opazimo da je prostornina Ym enaka prostornini Um telesa ki nastane
z rotacijo lika med krivuljo Cm in njeno asimptoto okoli te asimptote
Dokler ni bil razvit infinitezimalni račun kakršnega poznamo danes
so računali ploščine težišča prostornine in površine za vsak primer pose-
bej Veliko so se v 17 stoletju pa tudi že prej znani matematiki ukvarjali
s cikloido na primer N Kuzanski M Mersenne G Galilei G P de Rober-
val C Wren G Cardano B Pascal I Newton G W Leibniz C Huygens
je neko njeno lastnost uporabil pri izdelavi ure na nihalo
Evdoksova kampila
Oglejmo si naslednjo konstrukcijo točk krivulje V točki D(a0) pri čemer
je a gt 0 postavimo pravokotnico p na abscisno os Na p izberemo točko
A ki jo bomo kasneje premikali po tej premici Skozi O in A načrtamo
premico q in skozi A krožnico s središčem v koordinatnem izhodišču O
Krožnica preseka abscisno os v točkah B in Bprime ki sta simetrični glede na
točko O V B in Bprime konstruiramo pravokotnici r in rprime na os x ki presekata
p v točkah T in T prime ki sta tudi simetrični glede na točko O Ko teče točka
A po premici p opišeta T in T prime dvodelno krivuljo ki so jo poimenovali
rdquoEvdoksova kampilardquo Točka T opiše njeno desno vejo T prime pa levo Krivulja
je očitno simetrična glede na obe koordinatni osi (slika 41)
Enačbo desne veje dobljene Evdoksove kampile je najlaže najprej izraz-
iti v polarnih koordinatah nato pa še v implicitni obliki v pravokotnih
67
Slika 41 Konstrukcija točk Evdoksove kampile
kartezičnih koordinatah Za polarni kot ϕ vzamemo naklonski kot pre-
mice q za polarni radij pa razdaljo ∣OT ∣ (slika 41) Najprej očitno veljata
zvezi ∣OA∣ = ∣OD ∣cosϕ = acosϕ in = ∣OT ∣ = ∣OB∣cosϕ = ∣OA∣cosϕ iz
katerih dobimo = acos2ϕ tako da je nazadnje pri pogoju minusπ2 ltϕ ltπ2
polarna enačba desne veje Evdoksove kampile
(ϕ) =a
cos2ϕ (10)
Obe veji krivulje imata implicitno obliko
a2(x2 +y2) = x4 (11)
ki jo dobimo iz polarne oblike z upoštevanjem zvez 2 = x2 + y2 in cosϕ =
x Krivulja v obliki (11) ima izolirano točko O(00) ki je posledica del-
jenja z ki je lahko tudi enak 0 Evdoksova kampila je algebrska krivulja
četrte stopnje
Z Evdoksovo kampilo se da podvojiti kocko Načrtamo krožnico s
središčem v točkiD in polmerom a Njena enačba je x2+y2 = 2ax Vstavimo
68
Slika 42 Podvojitev kocke z Evdoksovo kampilo
2ax namesto x2 + y2 v (11) in dobimo enačbo x4 minus2a3x = x(x3 minus2a3) = 0 ki
ima realni rešitvi x0 = 0 in x1 = a 3radic
2 V prvem kvadrantu se krožnica in
Evdoksova kampila sekata v točki T (a 3radic
2aradic
2 3radic
2minus 3radic
4) kar pomeni da
ima točka T absciso
∣T0T ∣ = b = a 3radic2
Kocka z robom b ima prostornino b3 = 2a3 torej dvakratnik prostornine
kocke z robom a
Grška beseda καμπύλος pomeni rdquokriv zavit upognjenrdquo v ženski ob-
liki καμπύλη beseda γραμμή pa rdquočrta potezardquo Polno ime krivulje je v
grščini καμπύλη γραμμή torej rdquokriva črtardquo na kratko so jo poimenovali kar
rdquokampilardquo kateri so dodali še Evdoksovo ime Evdoks iz Knida (408ndash355
pnš) Εὔδοξος ὁ Κνίδιος je bil starogrški matematik in astronom Bil je
Arhitov učenec v Tarentu grško Τάρας in Platonov na Akademiji v Ate-
nah Obiskal je tudi Sicilijo in Egipt Kasneje je ustanovil svojo šolo v
Kiziku grško Κύζικος ob Mramornem morju ali Propontidi grško Προ-
ποντίς Pomemben je njegov doprinos v teoriji razmerij in nesoizmerljivih
količin kar je uporabil Evklid Εὐκλείδης v svojih Elementih Στοιχεῖα
69
Grška beseda εὔδοξος pomeni med drugim rdquosloveč slaven ugledenrdquo
V astronomiji je Evdoks zagovarjal geocentrični svetovni sistem in za
pojasnitev gibanja planetov in Lune uvedel sistem koncentričnih sfer ki
se vrtijo ena v drugi S tem v zvezi je uvedel še eno krivuljo ki jo poznamo
pod imenom rdquoEvdoksova hipopedardquo
Problem podvojitve kocke je na svojevrsten način s torusom valjem
in stožcem rešil pitagorejec in vojaški poveljnik Arhitas iz Tarenta v južni
Italiji grško Αρχύτας ὁ Ταραντίνος rojen med letoma 435 in 410 umrl
pa med letoma 360 in 350 pnš Morda je Evdoks Arhitovo prostorsko
rešitev problema podvojitve kocke poenostavil na reševanje v ravnini in
tako prišel do svoje kampile Dokazano to ni nikjer ve se le da mu je
rešitev uspelo najti z neko krivuljo Način reševanja pa je podoben reše-
vanju z Uhlhornovo toksoido ki ima tudi podobno enačbo v polarni obliki
(ϕ) = acos3ϕ
Tako Uhlhornova toksoida kot Evdoksova kampila spadata v skupino
Clairautovih krivulj = acosnϕ ali = asinnϕ Če je n racionalno število
je Clairautova krivulja algebrska Alexis Claude Clairaut (1713ndash1765) je
bil francoski matematik in astronom
Evdoksovo kampilo brez izolirane toke O parametriziramo kar s po-
larnim kotom
x(ϕ) =a
cosϕ y(ϕ) =
asinϕcos2ϕ
Njena ukrivljenost κ(ϕ) se izraža v obliki
κ(ϕ) =cos3ϕ(3sin2ϕ minus1)
a(3sin2ϕ +1)32
Ukrivljenost spremeni predznak pri kotu ϕ za katerega je 3sin2ϕ minus1 = 0
V takih točkah ima krivulja prevoje Evdoksova kampila ima štiri in sicer
70
Slika 43 Desna veja Evdoksove kampile prevoja in pritisnjena krožnica
v točkah (plusmnaradic
62plusmnaradic
32) Strmini tangent v teh točkah sta plusmn2radic
2 Os x
presekata za desno vejo v točki G(3aradic
680) Krivinski polmer v točkah
D inDprime je enak a Središče pritisnjene krožnice v točkiD je v točki S(2a0)
Približno ujemanje krivulje tangent v prevojih Pplusmn in pritisnjene krožnice v
temenu D kaže slika 43 Ujemanje bi lahko izkoristili za približno podvo-
jitev kocke Če namesto Evdoksove kampile vzamemo kar njeno tangento
y = 2radic
2(xminusaradic
62)+aradic
32
v prevoju v prvem kvadrantu in poiščemo absciso ξ presečišča s krožnico
x2 +y2 = 2ax dobimo
ξa=
118
radic
24radic
6minus23+
radic6
3+
19≐ 1259956951
namesto točnejše vrednosti
3radic
2a
≐ 1259921049
71
Če bi podoben račun naredili za Uhlhornovo toksoido ki se v prevojih
tudi približno ujema s tangentama bi dobili slabši rezultat
Zgoraj opisani približek lahko izkoristimo za precej natančno evklid-
sko konstrukcijo roba b podvojene kocke z robom a V koordinatnem sis-
temu Oxy narišemo krožnico s polmerom a s središčem v točki D(a0)
skozi O pa konstruiramo premico p z naklonskim koeficientom k = 2radic
2
Na abscisni osi konstruiramo točkoG(3aradic
680) in skoznjo premico q vz-
poredno s p Presečišče te premice s krožnico je točka T njena pravokotna
projekcija na os y pa točka T0 Razdalja b = ∣T0T ∣ je dober približek za
a 3radic
2 (slika 44) Pri tem izkoristimo izraza za diagonalo kvadrata in višino
enakostraničnega trikotnika v katerih nastopataradic
2 inradic
3 s kombinacijo
obeh pa šeradic
6 Podrobnosti so izpuščene z malo truda lahko konstrukcije
izvede vsak sam
Slika 44 Približna podvojitev kocke
Zrcalno sliko Evdoksove kampile (11) na krožnici x2 + y2 = a2 takoj
dobimo iz polarne oblike njene desne veje lowast(ϕ) = acos2ϕ Z zapisom v
pravokotnih kartezičnih koordinatah dobimo implicitno obliko za celotno
prezrcaljeno krivuljo
(x2 +y2)3 = a2x4
72
Krivulja je algebrska šeste stopnje Simetrična je glede na obe koordinatni
osi Njeni največji odkloni od osi x so pri polarnih kotih ϕ za katere je
3sin2ϕ = 1 to je v točkah (plusmn2aradic
69plusmn2aradic
39) kjer ima krivulja vodo-
ravni dvojni tangenti
Slika 45 Zrcaljenje Evdoksove kampile na krožnici
Nova krivulja spada med Clairautove Ploščina P obeh delov jajčastih
oblik je
P = 4 sdota2
2 intπ2
0cos4ϕdϕ = 2a2 sdot
34
sdotπ2=
3πa2
8
Problem podvojitve kocke grško διπλασιασμός τοῦ κύβου ali deloški
problem poimenovan po grškem otoku Delosu v Egejskem morju je reše-
valo več grških geometrov ki so celo skušali izdelati v ta namen posebno
orodje Platon je pograjal Evdoksove Arhitove in Menajhmove učence
češ da njihovi napori kvarijo kar je dobrega v geometriji Nastal je celo
epigram (puščica zbadljivka) v zvezi s podvojitvijo kocke ki je zapisan v
Evtokijevih komentarjih k Arhimedovi razpravi rdquoO krogli in valjurdquo grško
Περὶ σφαίρας καὶ κυλίνδρου Matematik in neoplatonist Evtokij iz Aškalona
v Palestini Εὐτόκιος ὁ Ασκαλονίτης je bil poznoantični matematik rojen
73
okoli leta 480 umrl pa je okoli leta 520 O njem se ve bore malo Nekaj
časa je deloval v Atenah nazadnje pa v Aleksandriji Napisal je tudi ko-
mentarje k Apolonijevi razpravi rdquoStožnicerdquo v grščini Κωνικά Na stožnice
se je v srednjem kar nekoliko pozabilo zanimanje zanje je spet oživelo
šele v času Keplerja in Newtona ko je bil potreben opis gibanja planetov
v heliocentričnem svetovnem sistemu
Navedimo omenjeni epigram v grščini in v prevodu S Weiss (vzeto iz
obsežnega knjižnega dela v treh delih [3])
Μηδὲ σύ γrsquo Αρχύτεω δυσμήχανα ἔργα κυλίνδρων
μηδὲ Μεναιχμείους κωνοτομεῖν τριάδας
διζήσηι μηδrsquo εἴ τι θεουδέος Εὐδόξοιο
καμπύλον ἐν γραμμαῖς εἶδος ἀναγράφεται
Težkih Arhitovih del s cilindri nikar ne posnemaj
stožnic Menajhmovih treh nikdar izsekal ne boš
niti ne boš spoznal če božanskega črte Evdoksa
res zarišejo lik tak iz zavitih kampil
Videli smo kaj vse se da povedati o neki krivulji če obvladamo in-
finitezimalni račun Seveda nam je to sedaj ko imamo na voljo najnovejše
pripomočke in obsežno ter dostopno matematično literaturo veliko laže
kot je bilo matematikom v 17 stoletju ko so v marsičem še orali ledino
Pomembni znanstveniki rojeni v 17 stoletju
Navedimo nekaj pomembnih znanstvenikov predvsem matematikov fizi-
kov in astronomov ki so se rodili v 17 stoletju Razvrščeni so po letnicah
74
rojstva Veliko podatkov dobimo v [1 5] in na svetovnem spletu
Gilles Personne de Roberval (1602ndash1675)
Pierre de Fermat (1607ndash1665)
Giovanni Alfonso Borelli (1608ndash1679)
Evangelista Torricelli (1608ndash1647)
John Pell (1610ndash1685)
Johann Hevel (1611ndash1687)
Frans van Schooten (1615ndash1660)
Carlo Renaldini (1615ndash1698)
John Wallis (1616ndash1703)
Henry Oldenburg (1618ndash1677)
Michelangelo Ricci (1619ndash1682)
William Brouncker (1620ndash1684)
Edmeacute Mariotte (1620ndash1684)
Jean Picard (1620ndash1682)
Vincenzo Viviani (1622ndash1703)
Reneacute-Franccedilois de Sluse (1622-1685)
Blaise Pascal (1623ndash1662)
Giovanni Domenico Cassini (1625ndash1712)
Robert Boyle (1627ndash1691)
Christiaan Huygens (1629ndash1695)
Isaac Barrow (1630ndash1677)
Ehrenfried Walther von Tschirnhaus (1631ndash1708)
Christopher Wren (1632ndash1723)
Johann Hudde (1633ndash1704)
Robert Hooke (1635ndash1703)
75
William Neile (1637ndash1670)
James Gregory (1638ndash1675)
Philippe de la Hire (1640ndash1719)
Isaac Newton (1643ndash1727)
Olaus Roslashmer (1644ndash1710)
Gottfried Wilhelm Leibniz (1646ndash1716)
Denis Papin (1647ndash1712)
Michel Rolle (1652ndash1719)
Pierre Varignon (1654ndash1722)
Jacob Bernoulli (1655ndash1705)
Edmund Halley (1656ndash1742)
Guillaume Franccedilois Antoine LrsquoHocircpital (1661ndash1704)
David Gregory (1661ndash1708)
Abraham de Moivre (1667ndash1754)
Johann Bernoulli (1667ndash1748)
Jacopo Francesco Riccati (1676ndash1754)
Giulio Carlo Fagnano (1682ndash1766)
Roger Cotes (1682ndash1716)
Reneacute Antoine Reacuteaumur (1683ndash1757)
Greacutegoire de Saint-Vincent (1584ndash1667)
Brook Taylor (1685ndash1731)
Gabriel Daniel Fahrenheit (1686ndash1736)
Colin Maclaurin (1698ndash1746)
Pierre Louis Moreau de Mapertuis (1698ndash1759)
76
Viri
[1] I Asimov Biografska enciklopedija znanosti in tehnike Tehniška za-
ložba Slovenije Ljubljana 1978
[2] J Bair V Henry Sluse ses perles et son algorithme Losanges 14
(2011) str 14ndash18 httphdlhandlenet2268100155 (videno 10
7 2021)
[3] G Kocijančič (urednik) Fragmenti predsokratikov Študentska za-
ložba Ljubljana 2012
[4] G Loria Spezielle algebraische und transscendente ebene Kurven
Teubner Leipzig 1902
[5] U C Merzbach C B Boyer A History of Mathematics John Wiley amp
Sons Hoboken New Jersey 2011
[6] J J OrsquoConnor E F Robertson Reneacute Franccedilois Walter de Sluze MacTu-
tor
httpsmathshistoryst-andrewsacukBiographiesSluze
(videno 10 7 2021)
[7] B von Pape Von Eudoxus zu Uhlhorn Books on Demand Norderstedt
2019
[8] M Razpet Pomnožitev hiperkocke Obzornik mat fiz 68 (2021) št 1
str 1-9
[9] M Razpet in N Razpet Prepogibanje papirja podvojitev kocke in
Slusova konhoida Obzornik mat fiz 67 (2020) št 2 str 41-51
77
[10] Y Renotte Reneacute de Sluze dialogues avec Christiaan Huygens
Bulletin de lrsquouniversiteacute du 3e acircge - Liegravege 23 (2021) 4 strani
httphdlhandlenet22682596400 (videno 10 7 2021)
[11] R F Slusius Mesolabum seu duaelig mediaelig proportionales inter ex-
tremas datas per circulum et ellipsim vel hyperbolam infinitis modis
exhibitaelig Leodii Eburonum Liegravege 1659
[12] R F Slusius Mesolabum seu duaelig mediaelig proportionales inter ex-
tremas datas per circulum et per infinitas hyperbolas vel ellipses et
per quamlibet exhibitaelig ac problematum omnium solidorum effectio
per easdem curvas Leodii Eburonum Liegravege 1668
[13] D Uhlhorn Entdeckungen in der houmlhern Geometrie theoretisch und
practisch abgehandelt Schulzersquosche Buchhandlung Oldenburg 1809
[14] I Vidav Algebra Mladinska knjiga Ljubljana 1972
Avtor se zahvaljuje prof dr Milanu Hladniku za strokovni pregled
copy(2021) Marko Razpet
78
sedaj v valonskem delu Belgije v provinci Liegravege blizu meje med Belgijo
in Nizozemsko v bogati in omikani družini Njegova domovina je takrat
spadala pod Špansko Nizozemsko V tistih krajih so zemljepisna imena
v tamkajšnjih jezikih različna na primer de Slusov rojstno mesto ki je v
francoščini Viseacute je v nizozemščini Wezet v nemščini Wezen in v latinščini
Villa Viesato Prav tako glavno mesto province Liegravege oziroma do 1949
Lieacutege v francoščini Luik v nizozemščini Luumlttich v nemščini in Leodium
v latinščini Prav tako reka ob kateri ležita ti dve mesti Meuse v fran-
coščini Maas v nizozemščini in nemščini ter Mosa v latinščini
Slika 1 Reneacute-Franccedilois Walter de Sluse
Po študiju prava na Katoliški univerzi v Leuvenu med letoma 1638
in 1642 (francosko Louvain nemško Loumlwen) je odšel v Rim kjer je ostal
nekaj let in si že leta 1643 prislužil naziv doktorja prava na rimski univerzi
6
La Sapienza nato pa je imel priložnost študirati v Italiji teologijo filo-
zofijo zgodovino matematiko fiziko astronomijo in jezike (baje je znal
tudi grško hebrejsko arabsko in sirsko)
Slika 2 Viseacute na zemljevidu iz sredine 19 stoletja
Katoliška univerza v Leuvenu je najstarejša univerza na ozemlju današ-
njega Beneluksa ustanovljena leta 1425 Univerza La Sapienza (rdquosapienzardquo
pomeni v italijanščini znanje) je bila ustanovljena kot papeška univerza
leta 1303 v zadnjem letu vladanja papeža Bonifacija VIII Ime je dobila
po stavbi v katero se je naselila Po doktoratu je de Sluse nekaj časa služil
papežema Inocencu X in Aleksandru VII kot tajnik Zadolžen je bil za to
da je papeške uradne dokumente na primer papeške bule obrazložil lju-
dem na razumljiv način Papežu Inocencu X je z znanjem jezikov pogosto
prevajal pisma ki so bila namenjena škofom na Grškem in v Armeniji
V Rimu se je de Sluse srečal s priznanimi takratnimi znanstveniki med
katerimi sta bila tudi B Cavalieri ki je s svojim delom nekako napovedal
integralski račun in E Torricelli
Leta 1650 je bil imenovan za kanonika kolegijske cerkve v Viseacuteju čeprav
je bilo to imenovanje le nominalno da bi mu zagotovilo dohodke Ni se
mu bilo treba takoj vrniti v Viseacute ampak je ostal še malo v Rimu ki ga je
7
zapustil naslednje leto ko ga je papež Inocenc X imenoval za kanonika v
katedrali sv Lamberta v Liegravegeu Zaradi svojega znanja prava je v Cerkvi
hitro napredoval in kmalu se je povzpel na vplivne položaje Leta 1659
je postal član zasebnega sveta katedrale v Liegravegeu leta 1666 pa kot cis-
tercijanski duhovnik opat opatije La Paix Dieu v Amayu (valonsko Ama)
jugozahodno od Liegravegea Bil je tudi zasebni svetovalec koumllnskega nadškofa
in volilnega kneza Svetega rimskega cesarstva tudi škofa v Liegravegeu Mak-
similijana Henrika Bavarskega (1621ndash1688) Umrl je 19 marca 1685 v
Liegravegeu
Reneacutejev brat Johannes Walter (1628ndash1687) se je v cerkveni hierarhiji
leta 1686 povzpel vse do kardinala Rojen je bil prav tako v Viseacuteju umrl pa
je v Rimu kjer je tudi pokopan in sicer v cerkvi Santa Maria dellrsquoAnima
Beseda rdquohierarhijardquo je grškega izvora Njen prvi del izhaja iz besede
ἱερός kar pomeni rdquosvet posvečen božjirdquo drugi del pa iz besede ἀρχός kar
pomeni rdquoprvak gospodar vladarrdquo
Omenjena kolegijska cerkev je naziv za tiste cerkve v katerih je Sveti
sedež ustanovil kapitelj ali kolegij klerikov (duhovnikov) imenovanih ka-
noniki Namen te ustanove je bil narediti bolj slovesno bogoslužje v cerk-
vah izbranega določenega pomena Ustanovitev posodobitev ali ukinitev
kolegijskih cerkva je bil v pristojnosti Svetega sedeža
Kanonik je v katoliški cerkvi dostojanstvenik član stolnega kapitlja
škofov svetovalec izvedenec za cerkveno pravo Sama beseda kanonik
izhaja iz grške κανών kar pomeni rdquovzorec predpis pravilo vodilordquo
Zaradi zahtevnih cerkvenih dolžnosti de Sluse ni imel več priložnosti
potovati toliko kot bi si želel Da bi zadovoljil svojo veliko intelektu-
alno radovednost si je stalno dopisoval z nekaterimi velikimi evropskimi
učenjaki B Pascalom C Huygensom P Fermatom R Boylom J Gre-
8
goryjem M Riccijem J Wallisom in H Oldenburgom Tako je lahko
izražal svoje ideje je pa zaradi drugega dela malo objavljal H Olden-
burg je bil tista leta tajnik Kraljevega društva v Londonu katerega član
je de Sluse postal leta 1674 Oldenburg je de Slusove zamisli posredoval
neposredno angleškim učenjakom in drugim članom kot je bilo takrat v
navadi Do njih je prišlo skoraj 80 pisem izmenjanih med letoma 1667
in 1676 De Slusovo korespondenco je leta 1884 objavil matematik C Le
Paige iz Liegravegea S tem je de Slusovo znanstveno delo postalo širše znano
De Sluse je umrl 19 marca 1685 v Liegravegu ravno tistega leta ko se je začel
spor med Newtonom in Leibnizem glede tega kdo je avtor infinitezimal-
nega računa Pokopali so ga v kolegijski cerkvi v Viseacuteju v bližini njegovih
staršev Družinski mavzolej je obstajal do 14 avgusta 1914 ko je nemška
vojska požgala kolegijsko cerkev sv Martina in sv Hadelina V kolegijski
cerkvi v Viseacuteju je ob levem stranskem oltarju spominska plošča ki govori
o slavnem prebivalcu Viseacuteja iz 17 stoletja kanoniku Reneacuteju-Franccediloisu
de Slusu Mesti Viseacute in Liegravege sta mu posvetili ulici Rue de Sluse mesto
Bassenge zahodno od Viseacuteja pa pot Chemin de Sluse
Matematične teme ki jih je obravnaval de Sluse so bile povezane z
znanstvenimi interesi tistega časa Po eni strani so bili geometrijski prob-
lemi ki segajo v čas Evklida in Arhimeda oživljeni v drugi polovici 16
in prvi polovici 17 stoletja Zlasti Cavalieri je razvil teorijo nedeljivih
količin ki je imela določen vpliv na razvoj matematične analize Po drugi
strani pa se je približno v istem času ko se je začela razvijati algebra po
zaslugi F Viegraveta ki je uvedel algebrski jezik in predvsem R Descartesa
in njegovega dela rdquoLa Geacuteomeacutetrierdquo zelo povečalo zanimanje za geometrijo
Združitev teh dveh tokov je de Slusa in številne druge matematike njego-
vega časa pripeljal do tega da so se začeli zanimati za geometrijske last-
9
Slika 3 Mesolabum druga izdaja 1668
nosti analitično definiranih krivulj predvsem algebrskih pa tudi spiral in
cikloid ki so bile takrat modne teme Pomembni problemi v tistih časih so
bili kako definirati in konstruirati tangento na krivuljo kako izračunati
ploščino lika ki ga ograjuje taka krivulja kako izračunati njeno dolžino
in kako izračunati prostornino in površino teles ki niso omejena samo z
ravninskimi ali sferičnimi liki G W Leibniz je pri de Slusu in Descartesu
našel marsikatero idejo pri razvoju infinitezimalnega računa in analitične
geometrije Ni čudno da je Huygens v nekem v pismu H Oldenburgu
dal o de Slusu naslednje mnenje rdquoSlusius eotilde geometrarum quos novi
omnium doctissimus candidissimusquerdquo rdquoSluse je od geometrov kar jih
poznam najbolj učen in jasenrdquo
10
Prav tako so bili v de Slusovem času še vedno aktualni problemi reše-
vanja algebrskih enačb tretje in četrte stopnje čeprav so to znali že itali-
janski matematiki S del Ferro N Tartaglia G Cardano in L Ferrari Še
vedno pa so bili živi antični problemi kvadrature kroga trisekcije kota in
podvojitve kocke s katerimi so se ubadali grški geometri Kot je znano gre
pri problemu podvojitve kocke za konstrukcijo kocke s prostornino ki je
dvakrat večja od prostornine dane kocke Problema se ne da rešiti z neoz-
načenim ravnilom in šestilom kot si je zamislil Platon pač pa s pomočjo
nekaterih algebrskih krivulj ali pa s posebnimi mehanskimi napravami
De Sluse je obravnaval geometrijsko reševanje algebrskih enačb tretje in
četrte stopnje z uporabo presečišč stožnic Descartes je pokazal da se
problem lahko rešuje z iskanjem presečišč parabole in krožnice de Sluse
pa je pokazal da lahko parabolo nadomestimo s katerokoli stožnico kar
se je izkazalo za veliko bolj prilagodljivo in elegantno kot Descartesova
metoda Svojo metodo je pod velikim vplivom Viegravetovih in drugih del
razvil v delu rdquoMesolabumrdquo (1659) še posebej v njegovi drugi izdaji (1668)
Celotna naslova izdaj nista popolnoma identična (glej [11 12]) Razvil je
tudi postopek za iskanje subtangente in s tem tangente katerekoli alge-
brske krivulje in to brez uporabe odvoda funkcije kakršnega poznamo
dandanes
Na sliki 3 opazimo v letnici izdaje de Slusovega Mesolabuma tudi malo
drugačen zapis rimskih številk za 500 in 1000 Navajeni smo ju pisati v
obliki D in M Namesto D so svoj čas pisali I in narobe obrnjen C torej
I C kar je skoraj D Za M pa CI C Število I Cje druga polovica od CI C
kar je v soglasju z dejstvom da je 500 polovica od 1000 Razlog za tako
pisavo sega v čas starih Grkov Etruščanov in Rimljanov Baje so nekoč
uporabljali za 1000 črko Φ iz katere se je razvila oznaka CI C iz te pa M
11
Eratostenov mesolabum
Beseda rdquomesolabumrdquo je zelo stara Izvira iz grške besede μεσολάβος (morda
tudi iz μεσολάβον) ki je v antiki pomenila posebno geometrijsko orodje
za določevanje prve in druge srednje geometrijske sorazmernice Beseda
izvira iz grške μέσος kar pomeni rdquosrednjirdquo in λαμβάνω kar pomeni rdquovza-
mem primem zgrabim pograbim popadem ulovimrdquo Glagolska os-
nova je λαβ- je tista iz katere izhajata nedoločnik λαβεῖν in aorist λάβον
Mesolabum je potemtakem tisto s čimer lovimo sredino lovilec sredin
Podobna beseda je rdquoastrolabrdquo starodavna astronomska naprava za določe-
vanje položaja zvezd v grščini ἀστρολάβον ὄργανον
V grških besedilih je glagol λαμβάνω eden od osnovnih in kot tak zelo
pomemben V taki ali drugačni obliki je zato zelo pogost Za primer
navedimo iz Odiseje (XXIV 397ndash399 prevod A Sovregrave )
ὣς ἄρ ἔφη Δολίος δv ἰθὺς κίε χεῖρε πετάσσας
ἀμφοτέρας ᾿Οδυσεῦς δὲ λαβὼν κύσε χεῖρv ἐπὶ καρπῷ
καί μιν φωνήσας ἔπεα πτερόεντα προσηύδα
To je dejal Približa se Dolios rok mu razpetih
prime gospoda v zapestju roko mu ginjen poljubi
z glasom obrne se k njemu pa reče krilate besede
V latinščini imenujejo mesolabum tudi rdquomesolabiumrdquo kar se čudno
sliši ker beseda rdquolabiumrdquo pomeni ustnica Iz besede rdquolabiumrdquo so izvedene
še druge V fonetiki imamo glasove ki jih sooblikujemo z ustnicami in se
zato imenujejo rdquolabialirdquo na primer rdquoprdquo in rdquobrdquo
12
Mesolabum je iznašel Eratosten iz Kirene (276ndash195 pnš) grško ᾿Ερα-
τοσθένης ὁ Κυρηναῖος ki je deloval v Aleksandriji kot vodja tamkajšnje
slavne knjižnice ki je bila del Muzejona hiše učenosti in umetnosti grško
Μουσεῖον τῆς Αλεξανδρείας in je najbolj znan po svojem situ za iskanje
praštevil in po izračunu velikosti Zemlje Pri mesolabumu gre za to kako
mehansko določiti prvo in drugo srednjo geometrijsko sorazmernico x in
y daljic a in b kjer je 0 lt a lt b Srednji geometrijski sorazmernici x in y
morata zadoščati relacijiax=xy=y
b (1)
Če označimo te tri kvociente z λ in jih med seboj zmnožimo dobimo
axsdotxysdoty
b=ab= λ3
To pomeni da je
λ = 3
radicab x =
3radica2b y =
3radicab2
Pri tem velja relacija a lt x lt y lt b ki je posledica relacije
a3 = a2a lt a2b = aab lt abb = ab2 lt bb2 = b3
iz katere sledi po kubičnem korenjenju a lt3radica2b lt
3radicab2 lt b Zato lahko
rečemo da sta x in y sredini daljic a in b saj sta med a in b
Za b = 2a je x = a 3radic
2 in y = a 3radic
4 To pomeni da se s tem posreči pod-
vojiti in početveriti kocko Kocka z robom x ima namreč dvakrat kocka z
robom y štirikrat večjo prostornino kot kocka z robom a in dvakrat večjo
kot kocka z robom x ker je x3 = 2a3 in y3 = 4a3 = 2x3 Prvi ki je prišel na
idejo poiskati srednji geometrijski sorazmernici x in y za a in b = 2a je bil
v 5 stoletju pnš živeči Hipokrat z otoka Hios v grščini ῾Ιπποκράτης ὁ
Χῖος Skušal je rešiti problema podvojitve kocke in kvadrature kroga
13
Eratosten je bil nad svojim izumom mesolabuma tako navdušen da je
en primerek baje daroval v nekemu templju sicer pa ga je posvetil kralju
Ptolemaju III (284ndash222 pnš) imenovanemu tudi Ptolemaj Dobrotnik
grško Πτολεμαῖος Εὐεργρέτης
Slika 4 Osnovni elementi Eratostenovega mesolabuma
Sedaj je čas da opišemo Eratostenov mesolabum Njegov je bil sicer
izdelan iz lesa slonove kosti in kovin mi pa si ga bomo ogledali she-
matično geometrijsko uporabljajoč pravokotnike trikotnike daljice pre-
mice točke razmerja in sorazmerja
V ravnini so postavljeni skladni pravokotniki A1B1C1D1 A2B2C2D2 in
A3B3C3D4 s stranicami A1B1 A2B2 in A3B3 na skupni premici na kateri
ostanejo ves čas v nadaljevanju opisanega postopka Vse stranice pra-
vokotnikov pravokotne na to premico imajo dolžino b Dolžina pre-
ostalih stranic ni pomembna Na stranici B3C3 izberemo točko T tako
da je ∣B3T ∣ = a Prvi pravokotnik je negiben preostala dva pa lahko dr-
sita po premici tako da se tretji lahko skrije pod drugega drugi pa pod
prvega S tem lahko gibljiva dva postavimo tako da dobimo daljice dolžin
14
x in y ki skupaj z a in b zadoščajo relaciji (1) Pravokotniki so razdeljeni z
med seboj vzporednimi diagonalami na pravokotne trikotnike (slika 4)
Slika 5 Premik pravokotnikov Eratostenovega mesolabuma
Ko premikamo drugi pravokotnik pod prvega njegova diagonala B2D2
prej ali slej seka stranico B1C1 negibnega pravokotnika denimo v točki
E Ko pa premikamo tretji pravokotnik pod drugega njegova diagonala
B3D3 prej ali slej seka stranico B2C2 drugega pravokotnika denimo v točki
F Cilj premikanja pravokotnikov sem in tja je doseči kolinearnost točk
D1EF in T Kot bomo kmalu videli takrat x = ∣B2F∣ in y = ∣B1E∣ ustrezata
relaciji (1)
Kolinearnost točk D1EF in T dosežemo s postopkom ki mu učeno
rečemo rdquoiteracijardquo Malo premaknemo drugi pravokotnik nato malo tret-
jega pa zopet drugega itd dokler s svojo spretnostjo ne dosežemo zado-
voljive natančnosti V natančni legi označimo u = ∣B1D1∣ v = ∣B2E∣ in
w = ∣B3F∣ Te daljice so med seboj vzporedne (slika 6) in zaradi podob-
nosti trikotnikov A1B1D1 B1B2E in B2B3F ter trikotnikov B1ED1 B2FE in
15
Slika 6 Končna lega pravokotnikov Eratostenovega mesolabuma
B3T F dobimo sorazmerja
bu=y
v=xwy
u=xv=aw
iz katerih sledijo relacije
xw = av xv = yw yv = ux bv = uy
Iz prve druge tretje in četrte dobimo po vrsti
ax=wvwv=xyxy=vuvu=y
b
Sedaj je nedvomno razvidno da je res
ax=xy=y
b
Tako lahko z Eratostenovo napravo najdemo prvo in drugo srednjo ge-
ometrijsko sorazmernico daljic a in b Podobno bi lahko našli tudi več
srednjih geometrijskih sorazmernic daljic a in b
16
So pa matematiki že davno odkrili da se da srednji geometrijski so-
razmernici najti tudi s parabolama Iz relacije (1) namreč sledita preprosti
zvezi
x2 = ay y2 = bx
V prvi spoznamo enačbo parabole ki ima za simetralo ordinatno os gorišče
v točki F(0a4) in vodnico y = minusa4 v drugi pa enačbo parabole ki ima za
simetralo absciso os gorišče v točki G(b40) in vodnico x = minusb4 (slika 7)
Slika 7 Do srednjih geometrijskih sorazmernic s parabolama
Paraboli se sekata v točkah O(00) in A(3radica2b
3radicab2) Konstrukcijo je
odkril Menajhmos grško Μέναιχμος ki je živel v 4 stoletju pnš Prvi je
vpeljal stožnice kot preseke stožca z ravnino Teorijo stožnic je temeljito
obdelal Apolonij iz Perge (265ndash170 pnš) grško Απολλώνιος ὁ Περγαῖος
Njegove knjige so matematiki uporabljali še vse do Newtonovih časov
Prav tako pridemo do srednjih geometrijskih sorazmernic če poiščemo
presečišči parabole x2 = ay z goriščem F(0a4) in vodnico y = minusa4 ter
krožnice x2 + y2 = bx + ay ki ima središče v točki S(b2a2) in premer
17
Slika 8 Do srednjih geometrijskih sorazmernic s parabolo in krožnico
d =radica2 +b2 Parabola in krožnica se sekata v točkah O in A(
3radica2b
3radicab2)
(slika 8) kar potrdi preprost račun Opisano konstrukcijo je obvladal Reneacute
Descartes Menajhmos in Descartes sta pokazala da se z njunima kon-
strukcijama da rešiti problem podvojitve kocke Za b je treba v opisanih
postopkih vzeti 2a Pripomnimo še da je bila starogrška matematika
pretežno matematika razmerij in sorazmerij in tako je bilo še celo vrsto
stoletij Srednjo geometrijsko sorazmernico x daljic dolžin a in b tako
da velja a ∶ x = x ∶ b iz česar sledi x =radicab se da konstruirati z neoz-
načenim ravnilom in šestilom Spomnimo se na višinski izrek v pravokot-
nem trikotniku ki je pravzaprav posledica podobnosti dveh trikotnikov
na katera višina na hipotenuzo razdeli pravokotni trikotnik
Pri dveh srednjih geometrijskih sorazmernicah x in y pa se kot smo
videli pojavi kubični koren ki pa z omenjenima geometrijskima orodjema
ni konstruktibilen To so matematiki dokazali šele v 19 stoletju Do takrat
so problem skušali rešiti na druge načine in pri tem odkrili nove krivulje
tako da njihov trud le ni bil popolnoma zaman Geometrijski objekt bo za
18
nas rdquokonstruktibilenrdquo če se ga da konstruirati z neoznačenim ravnilom in
šestilom
Drugo de Slusovo delo
De Sluse še vedno velja za izjemno učenega človeka nadarjenega za mate-
matiko izumiteljstvo in posploševanje Njegovo ime je še danes povezano
z njegovimi konhoidami in perlami De Slusova konhoida (slika 9) ki ima
implicitno obliko
(xminus c)(x2 +y2)minus2cx2 = 0
je precej natančno obravnavana v članku [9]
Slika 9 Slusova konhoida
Reneacute de Sluse se ni ukvarjal le z matematiko ampak tudi z astronomijo
fiziko naravoslovjem in seveda teologijo Pogosto se je pritoževal nad
omejitvami ki so mu jih nalagale njegove verske in upravne funkcije
Ni veliko eksperimentiral ker za to ni imel posebnega veselja pa tudi
ne tehničnih možnosti Je pa predlagal drugim zlasti Huygensu da naj
naredijo tak ali drugačen eksperiment Z zanimanjem je bral prepovedane
19
knjige N Kopernika G Galileja in J Keplerja ter kritiziral prizadevanja za
obnovitev starih konceptov Pisal je že o ekscentričnosti v zvezi s Soncem
Zdi se da je za svoje izračune uporabljal oba sistema heliocentričnega
in geocentričnega Rad je opazoval zvezdnato nebo Tako v kemiji kot
drugje se je znašel na razpotju Prebral je modne knjige o alkimiji in
celo ponovil poskus sublimacije antimona v belo barvo vendar je bila nje-
gova razlaga odločno korpuskularna saj je uporabljal Boylove zamisli o
strukturi tekočega in trdnega stanja V podporo temu je izvajal poskuse
zamrzovanja različnih raztopin in študiral sestavo lojevca V medicinski
kemiji se je zanimal za zdravilne vode in jih tudi analiziral
V fiziki sta ga je posebej zanimala merjenje temperature in praktična
termometrija Če ne upoštevamo odkritij E Torricellija in B Pascala o
vplivu atmosferskega tlaka na zračni termometer je de Sluse leta 1664
izumil svoj termometer z voščeno kroglico pomešano s peskom ki se je
gibala v stekleni cevi zaprti na dnu napolnjeni s slano vodo tako da je
bila kroglica bolj ali manj potopljena v sredini cevi kar je opisal v pismih
Huygensu Kroglica je označevala vsako spremembo v zraku iz toplejšega
na hladnejše ko se je spuščala ali dvigala Huygens je odgovoril da je
njegov termometer prepočasen vendar je zanesljivejši od drugih istovrst-
nih termometrov ker je manj podvržen vplivu atmosferskega tlaka Žal
ni poznal florentinskega termometra ko je svojim dopisnikom vključno s
Huygensom in Oldenburgom povedal o svojem izumu Florentinski ter-
mometri so pomenili odločilen korak naprej pri merjenju temperature
Bili so prvi ki so omogočali natančne meritve Pred iznajdbo v Firencah
okoli leta 1650 so bili stari modeli zelo približni določali so ali je pred
nami nekaj hladnega ali vročega ne da bi lahko odčitali ali ocenili tem-
peraturo Razlika je v tem da je steklena cev zaprta tako da je vpliv tlaka
20
odpravljen Uporabljali so se predvsem petdesetstopinjski termometri
Taki termometri so večinoma služili za določanje nihanja temperature zra-
ka v zaprtih prostorih in na prostem Oblikovanje termometra je takrat
pomenilo tudi določitev njegove merilne lestvice vendar še brez Celzijevih
ali Fahrenheitovih stopinj Pri tem so bile stopinje enakomerno razpore-
jene med dvema skrajnostma in sicer med nivojem najhladnejše tekočine
pozimi (nizka točka) in nivojem najbolj vroče tekočine poleti (visoka točka)
Zaradi teh zelo relativnih vrednosti je primerjava meritev med dvema ter-
mometroma nezanesljiva Ob upoštevanju pripomb jo je večkrat spreme-
nil in jo ponovno predložil Oldenburgu do leta 1669 ko je R Boyle izrazil
negativno mnenje glede topnosti voska kroglic v slani tekočini Po tem da-
tumu termometer ni bil nikoli več omenjen De Sluse je zboljšal različne
instrumente ure številčnice barometre Ker ga je motilo prerekanje med
raziskovalci glede avtorstva odkritij je po Oldenburgovi smrti leta 1677
končal svojo znanstveno dejavnost
Šele v 18 stoletju so razvijali temperaturne merilne lestvice C Re-
naldini (1694) O C Roslashmer (1702) G Fahrenheit (1717) Reneacute-Antoine
F de Reacuteaumur (1730) in A Celsius (1741) Enota kelvin (K ndash v čast lordu
Kelvinu 1824-1907) osnovna enota mednarodnega sistema enot za tem-
peraturo je bila uvedena šele leta 1954
De Sluse je bil tudi zgodovinar Napisal je knjigo o smrti sv Lam-
berta škofa v Tongresu ki je bil ubit na kraju kamor je sv Hubert njegov
naslednik prenesel sedež svoje škofije Kraj se je kasneje razvil v Liegravege
Druga zgodovinska študija se nanaša na slavnega maastrichtskega škofa
sv Servacija Med de Slusovimi neobjavljenimi rokopisi je tudi zgodovina
Koumllna Pripomnimo še da je sv Hubert zavetnik lovcev matematikov
optikov in kovinarjev
21
O širini de Sluzovih interesov priča raznolikost tem ki so zajete na
več sto straneh njegovega dela neobjavljenih rokopisov ki jih zdaj hrani
Narodna knjižnica Bibliotheque Nationale v Parizu Čeprav se je ukvarjal
predvsem z matematiko njegovi rokopisi obravnavajo tudi astronomijo
fiziko in naravoslovje
De Slusove perle
Po de Slusu so po zaslugi B Pascala (več o tem v [4]) imenovane tudi
krivulje rdquode Slusove perlerdquo to so krivulje ki se v pravokotnem kartezi-
čnem koordinatnem sistemu Oxy izražajo z enačbo
ym = kxn(aminusx)p (2)
Pri tem so eksponenti mn in p naravna števila a in k pa pozitivni kon-
stanti Glede na parnost eksponentovmn in p formalno razlikujemo osem
možnosti od katerih imamo opravka s perlami le v primeru ko je m sodo
število s pravimi perlami pa v primeru ko je m sodo število n in p pa lihi
števili (slika 10) Skupno tem krivuljam so simetričnost glede na os x in
presečišča s to osjo pri x = 0 in x = a De Sluse je po svoje brez uporabe
odvoda izračunal da njegove perle dosegajo lokalne ekstreme največji
odstop od osi x med 0 in a za x = na(n+p)
V teh primerih je ploščina S lika ki ga ograjuje zanka perle enaka
S = 2k1mint
a
0xnm(aminusx)pmdx = 2k1ma(m+n+p)mint
1
0tnm(1minus t)pmdt
Integracijsko spremenljivko x smo zamenjali z novo spremenljivko t prek
relacije x = at da smo dobili obliko ki jo lahko izrazimo z Eulerjevima
22
Slika 10 Primeri de Slusovih perl
funkcijama B in Γ
S = 2k1ma(m+n+p)mB(nm+1pm+1) =
= 2k1ma(m+n+p)mΓ(nm+1)Γ(pm+1)
Γ((n+p)m+2)=
= 2k1ma(m+n+p)mnp
(m+n+p)(n+p)
Γ(nm)Γ(pm)
Γ((n+p)m)
Pri rotaciji okoli osi x ta lik v prostoru opiše telo s prostornino
V =πk2mint
a
0x2nm(aminusx)2pmdx =πk2ma(m+2n+2p)m
int
1
0t2nm(1minust)2pmdt
23
Slika 11 Zasuk de Slusove perle za m = 2n = 3p = 1k = 001 okoli osi x
Integracijsko spremenljivko x smo tudi to pot zamenjali z novo spremenljivko
t prek relacije x = at da smo dobili obliko ki jo lahko izrazimo z Eulerje-
vima funkcijama B in Γ
V =πk2ma(m+2n+2p)mB(2nm+12pm+1) =
=πk2ma(m+2n+2p)mΓ(2nm+1)Γ(2pm+1)Γ((2n+2p)m+2)
=
= 2πk2ma(m+2n+2p)m np
(m+2n+2p)(n+p)Γ(2nm)Γ(2pm)
Γ((2n+2p)m)
Poseben primer de Slusove perle
Natančneje bomo obravnavali de Slusovo perlo samo primer za m = n = 2
p = 1 in k = 1a to se pravi krivuljo K ki ima implicitno enačbo ay2 =
x2(a minus x) To pa zato ker se posamezne točke te krivulje da preprosto
konstruirati z osnovnim geometrijskim orodjem
24
Geometrijska konstrukcija in analitična obravnava
Do posameznih točk T krivulje K pridemo s preprosto geometrijsko kon-
strukcijo (slika 12) V pravokotnem kartezičnem koordinatnem sistemu
Oxy načrtamo premico x = a kjer je a pozitivna konstanta Skozi koordi-
natno izhodišče O potegnemo premico p ki ima enačbo y = tx in preseka
premico x = a v točki A(ata) Parameter t smerni koeficient premice p s
katerim je sorazmerna ordinata točkeA bomo kasneje spreminjali V točki
A na p postavimo pravokotnico q ki seka os x v točki B V B načrtamo na
q pravokotnico r ki seka premico x = a v točki C nazadnje pa skozi C še
pravokotnico s na r Presečišče premic p in s naj bo točka T (xy) Sedaj
bomo izrazili njeni koordinati x in y s parametrom t
Slika 12 Konstrukcija točke T de Slusove perle K
Premica q ima enačbo y = minus(x minus a)t + at in preseka os x v točki B(a +
at20) Premica r ima enačbo y = t(x minus aminus at2) in preseka premico x = a v
točki C(aminusat3) premica s pa enačbo y = minus(xminus a)t minus at3 Koordinati točke
T sta rešitvi sistema enačb
y = tx y = minusxminusat
minusat3
25
Po krajšem računu dobimo
x(t) = a(1minus t2) y(t) = at(1minus t2) (3)
To sta parametrični enačbi krivulje K Ko spreminjamo t po vseh realnih
vrednostih oziroma ko A drsi po premici x = a točka T (xy) opiše krivuljo
K (slika 13) z zanko ki spominja na perlo
Če si mislimo da je parameter t čas enačbi (3) predstavljata sestav-
ljeno gibanje točkaste mase v dveh med seboj pravokotnih smereh v koor-
dinatni ravnini v smeri osi x po pravilu prve enačbe v smeri osi y pa po
pravilu druge enačbe Tirnica takega gibanja je krivulja K Podoben le da
bolj preprost primer imamo tudi pri gibanju točkaste mase pri poševnem
metu
Slika 13 De Slusova perla K
Ko se t spreminja od zelo velikih negativnih vrednosti potuje T po
loku v drugem kvadrantu navzdol in doseže za t = minus1 prvič točko O Za
minus1 le t le 0 opiše lok v četrtem kvadrantu odO do temenaD(a0) za 0 le t le 1
opiše lok v prvem kvadrantu od D do točke O ki jo doseže drugič za t = 1
za t gt 1 pa se spusti po loku v tretjem kvadrantu navzdol
26
Če upoštevamo (3) dobimo
x2(t)(aminusx(t)) = a2(1minus t2)2 sdotat2 = a(at(1minus t2))2 = ay2(t)
To pomeni da je ay2 = x2(aminusx) implicitna enačba krivulje K in da je K al-
gebrska krivulja tretje stopnje Krivulja K je simetrična glede na os x Za
točke ki so zelo blizu koordinatnemu izhodiščuO je člen x3 zanemarljivo
majhen v primerjavi s kvadratnima členoma zato je tam enačba krivulje
K približno ay2 = ax2 oziroma (y minusx)(y +x) = 0 Ta enačba razpade na dve
y = x in y = minusx V točki O ima krivulja tangenti y = x in y = minusx ki se sekata
pravokotno V točki D je tangenta na krivuljo premica x = a Krivulja ima
na zanki dve glede na os x simetrično ležeči lokalno ekstremni točki v ka-
terih je tangenta vzporedna z osjo x To sta točki Mplusmn(2a3plusmn2aradic
39) De
Sluse jih je na svojevrsten način pravilno izračunal čeprav je bilo v nje-
govem času računanje z odvodi še v zametkih Da bi pravilnost ekstrem-
nih točk preverili brez odvoda uporabimo kvadrat ekstremne ordinate ki
je y2M = 4a227 in zapišimo izraz
ay2M minusx2(aminusx) = 4a327minusax2 +x3 = (xminus2a3)2(x+a3)
ki je za 0 lt x lt a nenegativen in enak 0 za x = 2a3 To pomeni da je
tedaj x2(a minus x) le 4a327 in največja ordinata na zanki krivulje je 2aradic
39
najmanjša pa minus2aradic
39 oboje pri x = 2a3 (slika 14)
Z uporabo odvoda gre vse veliko hitreje Ordinata y doseže ekstrem
takrat kot ay2 Zato je vseeno če poiščemo ekstrem enostavnejše funkcije
g(x) = x2(a minus x) = ax2 minus x3 Potreben pogoj za to je g prime(x) = 2ax minus 3x2 = 0
Dobimo stacionarni točki x1 = 0 in x2 = 2a3 Uporabimo še g primeprime(x) = 2aminus6x
Ker je g primeprime(x1) = 2a gt 0 in g primeprime(x2) = minus2a lt 0 ima funkcija g v točki x1 lokalni
minimum ki je enak 0 v točki x2 pa lokalni maksimum ki je enak 4a327
27
Slika 14 Lokalna ekstrema na de Slusovi perli K
Ekstremna točka na zanki kjer je tangenta vzporedna z osjo x je očitno
le v x2 kvadrat ekstremne ordinate je tedaj g(x2)a = 4a227 = 12a281
Ekstremni ordinati sta torej plusmn2aradic
39 pri abscisi 2a3
Abscise 2a3 ni težko geometrijsko konstruirati prav tako tudi ne or-
dinate 2aradic
39 ki je 29 razdalje ∣PminusP+∣ = aradic
3 kjer sta Pminus in P+ presečišči
krožnih lokov s središčema v točkahO inD in polmerom ∣OD ∣ To pomeni
da sta točki Pminus in P+ konstruktibilni
Če bi načrtali celotna krajša krožna loka med Pminus in P+ bi dobili med
njima lečast lik ki so mu nekoč rekli rdquovesica piscisrdquo kar dobesedno pomeni
rdquoribji mehurrdquo Lik je bil zelo znan v srednjeveški sakralni umetnosti
Čeprav v de Slusovem času še niso poznali odvoda funkcije v današn-
jem smislu so že vedeli zahvaljujoč Fermatu da ima funkcija v točki
lokalnega ekstrema vodoravno tangento
28
Spremljajoča parabola
Nastajanje krivulje K spremljajo še nekatere druge bolj ali manj znane
krivulje Najprej si oglejmo kaj dobimo če točko O pravokotno projici-
ramo na premice r in spreminjamo parameter t Dobljena projekcija naj
bo R (slika 15)
V prispevku se pogosto sklicujemo na povezavo med smernima koe-
ficientoma premice in pravokotnice nanjo Koeficienta sta si inverzna in
nasprotna Zato zlahka napišemo enačbo premice r in pravokotnice skozi
O nanjo
y = t(xminusaminusat2) y = minusxt
Njuno presečišče R ima koordinati
x(t) = at2 y(t) = minusat
Z izločitvijo parametra t dobimo y2 = ax kar pomeni da točke R pri spre-
minjanju točkeA po premici x = a opišejo parabolo rdquospremljajočo parabolordquo
ki ima gorišče v točki F(a40) in vodnico v z enačbo x = minusa4
Slika 15 De Slusova perla K in spremljajoča parabola
29
Ogrinjače
Ko drsi točka A po premici x = a premice s ogrinjajo neko krivuljo Ks
Premice s so v točki T krivulje K pravokotne na premice skozi O in T
Njeno enačbo dobimo po standardnem postopku Enačba premic s je
F(xyt) = y +xminusat
+at3 = 0
To je enoparametrična družina premic ki ogrinjajo krivuljo Ks imeno-
vano rdquoogrinjačardquo te družine (slika 16) V vsaki točki ogrinjače se jo dotika
ena premica v različnih točkah različne premice družine Enačbo njihove
ogrinjače v implicitni obliki dobimo tako da iz sistema enačb
Slika 16 De Slusova perla K in ogrinjače Ks Kq Kr
F(xyt) = 0partFpartt
(xyt) = 0
izločimo parameter t Iz enačbe
partFpartt
(xyt) = minus(xminusa)t2 +3at2 = 0
30
dobimo najprej xminusa = 3at4 kar vstavimo v prvo enačbo v sistemu in imamo
y = minus4at3 Dobili smo ogrinjačo v parametrični obliki
x(t) = a(1+3t4) y(t) = minus4at3
Izločimo t in enačba iskane ogrinjače Ks v implicitni obliki je pred nami
27y4 = 256a(xminusa)3
Ker je y dobljene krivulje sorazmeren s potenco (x minus a)34 lahko rečemo
da je ogrinjača premic s četrtkubična parabola
Podobno poiščemo ogrinjačo Kq premic q
F(xyt) = yt +xminusaminusat2 = 0partFpartt
(xyt) = y minus2at = 0
Ogrinjača v parametrični obliki je to pot
x(t) = a(1minus t2) y(t) = 2at
Z izločitvijo parametra t dobimo njeno enačbo v implicitni obliki
y2 = minus4a(xminusa)
Dobljena krivulja Kq je parabola z vodnico x = 2a in goriščem v točki O
(slika 16)
Nazadnje po enakem postopku kot doslej poiščemo še ogrinjačo Kr
premic r
F(xyt) = y minus tx+at +at3 = 0partFpartt
(xyt) = minusx+a+3at2 = 0
Ogrinjača v parametrični obliki je potem
x(t) = a(1+3t2) y(t) = 2at3
31
Z izločitvijo parametra t dobimo njeno enačbo še v implicitni obliki
27ay2 = 4(xminusa)3
Dobljena krivulja Kr je polkubična ali Neilova parabola z ostjo v točki
D(a0) kjer ima vodoravno tangento (slika 16) Krivuljo Ks smo up-
ravičeno imenovali četrtkubična parabola Slednja ima v točki D(a0)
navpično tangento
Edinole premice p od tistih ki sodelujejo v konstrukciji točk krivulje
K nimajo ogrinjače Vse premice p namreč potekajo skozi koordinatno
izhodišče O in očitno ne ogrinjajo nobene krivulje
Nožiščne krivulje
Novo krivuljoHprime dobimo če na tangente dane krivuljeH pravokotno pro-
jiciramo izbrano točko Φ Vse projekcije P nožišča točke Φ na tangentah
krivuljeH sestavljajo krivuljoHprime ki jo imenujemo rdquonožiščnardquo ali rdquopedalna
krivuljardquo krivulje H glede na točko Φ
Beseda rdquopedalenrdquo izhaja iz latinske rdquopedalisrdquo kar pomeni rdquonoženrdquo Os-
novna beseda je rdquopesrdquo v rodilniku ednine rdquopedisrdquo kar pomeni rdquonogardquo Od
tod izvirajo tudi besede rdquopedalordquo rdquopedalarrdquo in rdquopedalinrdquo
Poiščimo nekaj nožiščnih krivulj glede na koordinatno izhodišče O
Najprej za krivuljo K ki je poseben primer de Slusove perle Za odvod
v točki T isinK ki ustreza parametru t dobimo
dy
dx(x) =
y
x(t) =
3t2 minus12t
Enačbi tangente v T in pravokotnice skozi O nanjo pa se glasita
y minusat(1minus t2) =3t2 minus1
2t(xminusa(1minus t2)) y =
2t1minus3t2
x
32
Sekata se v točki P s koordinatama
x(t) =a(t2 minus1)2(1minus3t2)
9t4 minus2t2 +1 y(t) =
2at(t2 minus1)2
9t4 minus2t2 +1 (4)
S tem smo našli parametrični enačbi krivulje Kprime (slika 17) Do implicitne
enačbe je dolga pot prek rezultante dveh polinomov spremenljivke t od
katerih je prvi druge drugi pa pete stopnje Najprej opazimo da je v (4)
yx = 2t(1minus 3t2) kar lahko zapišemo kot p(t) = 3yt2 + 2xt minus y = 0 drugo
enačbo pa zapišemo v obliki q(t) = 2at5 minus 9yt4 minus 4at3 + 2yt2 + 2at minus y = 0
Zaradi enostavnosti smo pisali x in y brez argumenta t Da izločimo pa-
rameter t je treba zapisati rdquorezultantordquo R(p(t)q(t)) polinomov p(t) in
q(t) in jo izenačiti z 0 (glej [14])
R(p(t)q(t)) =
RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR
2a minus9y minus4a 2y 2a minusy 0
0 2a minus9y minus4a 2y 2a minusy
3y 2x minusy 0 0 0 0
0 3y 2x minusy 0 0 0
0 0 3y 2x minusy 0 0
0 0 0 3y 2x minusy 0
0 0 0 0 3y 2x minusy
RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR
= 0
Zadnji stolpec je deljiv z y Ker y = 0 ni del iskane nožiščne krivulje pre-
ostane ko izračunamo determinanto in jo okrajšamo z y in preuredimo
27y2(x2 +y2)2 +4ax(x2 minus9y2)(x2 +y2)minus4a2(x2 minusy2)2 = 0
Rezultat je torej algebrska krivulja šeste stopnje Krivulja je simetrična
glede na abscisno os točka O pa je njena posebna točka Za zelo majhne
x in y prevlada zadnji člen kar pomeni da sta premici y = x in y = minusx v O
tangenti na krivuljo
33
Slika 17 Nožiščna krivulja Kprime krivulje K glede na koordinatno izhodišče
Zanka krivulje Kprime nekoliko spominja na srčnico ali kardioido ki jo
opisujejo točke krožnice ki se brez drsenja kotali po enako veliki krožnici
Krivulja Kprime ima še neomejeni del ki se razteza po drugem in tretjem kvad-
rantu Poglejmo kako potuje točka po krivulji v parametrizaciji (4) ko
parameter t teče po številski premici Za t lt minus1 poteka krivulja po tretjem
kvadrantu pri čemer x(t)rarr minusinfin in y(t)rarr minusinfin ko t rarr minusinfin Pri t = minus1 točka
doseže O v obliki osti ki ima za tangento premico y = x Za minus1 lt t lt 0
potuje točka po četrtem kvadrantu doseže točko D pri t = 0 za 0 lt t lt 1
potuje naprej po prvem kvadrantu in pri t = 1 spet doseže O kjer ima
ost s tangento y = minusx nato nadaljuje pot po drugem kvadrantu pri čemer
x(t)rarr minusinfin in y(t)rarrinfin ko trarrinfin
Nožiščna krivulja malo prej obravnavane krivulje Ks glede na točko O
ni nič drugega kot krivulja K Premice s so namreč tangente na Ks nožišča
točke O na njej pa so točke krivulje K Lahko pa to preverimo z računom
34
tako kot smo poiskali nožiščno krivuljo Kprime za K glede na točko O
Za odvod v poljubni točki na Ks ki ustreza parametru t dobimo
dy
dx(x) =
y
x(t) = minus
1t
Enačbi tangente v tej točki in pravokotnice skozi O nanjo pa se glasita
y +4at3 = minus1t(xminusa(1+3t4)) y = tx
Sekata se v točki s koordinatama
x(t) = a(1minus t2) y(t) = at(1minus t2)
To sta ravno parametrični enačbi krivulje K tako da velja Kprimes =K
Podobno ugotovimo tudi da je premica x = a nožiščna krivulja za para-
bolo Kq Premica x = a je tangenta te parabole v temenu V splošnem je
temenska tangenta parabole kar njena nožiščna krivulja glede na gorišče
Ugotovili smo torej da je nožiščna krivulja krivulje Kr spremljajoča para-
bola krivulje K
Ekstremne točke nožiščne krivulje Kprime
Ekstremne točke na zanki krivulje Kprime dobimo iz odvodov
x(t) =2at(1minus t2)(3t2 +1)(9t4 +2t2 minus3)
(9t4 minus2t2 +1)2
y(t) =2a(t2 minus1)(3t2 +1)(3t4 +6t2 minus1)
(9t4 minus2t2 +1)2
Za t = 0 doseže v točki D(a0) abscisa svojo največjo vrednost Za t = plusmn1
poteka krivulja skozi točko O kjer sama sebe preseka pod pravim kotom
ker je yprime(0) = (yx)(plusmn1) = ∓1
35
Najmanjšo absciso na zanki ima krivulja Kprime v točki ki jo določa para-
meter t za katerega velja pogoj 9t4 +2t2 minus3 = 0 To je bikvadratna enačba
katere realni rešitvi sta tplusmn = plusmnradic
2radic
7minus13 ustrezni točki na krivulji pa
izračunamo z enačbama (4) in dobimo
Xplusmn(a(17minus7radic
7)27plusmnaradic
74radic
7minus17227)
Ekstremni ordinati na zanki ima krivulja takrat za tisto vrednost para-
metra t za katerega velja pogoj 3t4 + 6t2 minus 1 = 0 Realni rešitvi te bi-
kvadratne enačbe sta tplusmn = plusmn(3radic
2minusradic
6) 4radic
36 ustrezni točki na krivulji pa
Yplusmn(a(3minusradic
3)3plusmna 4radic123)
Ker v koordinatah ekstremnih točk nastopajo poleg osnovnih aritmetičnih
operacij le kvadratni in bikvadratni (četrti) koreni so te točke konstruk-
tibilne
Cisoida
Spoznali smo enega od načinov pridobivanja novih ravninskih krivulj iz
danih to je z nožišči izbrane točke na tangentah dane krivulje Krivulji
s tem priredimo nožiščno krivuljo glede na izbrano točko Drug tak pre-
prost način kako iz znanih krivulj dobimo nove je cisoidni način Kako
pa ta poteka
Denimo da sta znani krivulji K1 in K2 ter točka O ki ležijo v isti
ravnini Pri tem sta K1 in K2 taki krivulji da vsaka premica p skozi O
ki seka K1 v neki točki T1 seka tudi K2 recimo v točki T2 (slika 18) Za
vsak T1 označimo na p točko T tako da veljaETHOT =
ETHETHT1T2 Ko T1 potuje po
K1 T opiše krivuljo C ki jo imenujemo cisoida krivulj K1 in K2 glede na
točko O Definicije take cisoide se nekoliko razlikujejo od vira do vira
36
Slika 18 Krivulja C je cisoida krivulj K1 in K2 glede na točko O
Dioklova cisoida s katero rešimo problem podvojitve kocke je cisoida
krožnice x2 + y2 = ax in premice x = a glede na koordinatno izhodišče O
Več o cisoidah in njihovi uporabi je napisanega na primer v [8]
Krivulja K je povezana tudi s polkubično ali semikubno ali Neilovo
parabolo poimenovano po Williamu Neilu (1637ndash1680) Parametrični
enačbi (3) lahko zapišemo v vektorski obliki v standardni bazi kot razliko
kolinearnih vektorjev
r(t) = (x(t)y(t)) =ETHOT = (a(1minus t2)at(1minus t2)) = (aat)minus (at2at3)
Vektor r1(t) = (aat) = (a0)+at(01) je enačba premice x = a v parametrični
obliki vektor r2(t) = (at2at3) pa polkubične parabole ki ima enačbo ay2 =
x3 in ost v točkiO Parameter t geometrijsko pomeni tangens naklonskega
kota premice OA (slika 13)
Premica y = tx poteka skozi koordinatno izhodišče O in seka premico
x = a v točkiA(aat) zato jeETHOA = r1 Ista premica seka polkubično parabolo
P ki ima enačbo ay2 = x3 v točki P (at2at3) tako da jeETHOP = r2 S tem je
ETHPA =
ETHOAminus
ETHOP = r1minus r2 = r To pomeni da je r =
ETHOT =
ETHOAminus
ETHOP Potemtakem
je krivulja K cisoida polkubične parabole P z enačbo ay2 = x3 in premice
37
Slika 19 De Slusova perla K kot cisoidna krivulja
x = a glede na točko O (slika 19)
Neilova parabola in ločna dolžina
Neilova ali polkubična parabola ay2 = x3 je bila v zgodovini matematike
pomembna kot ena prvih krivulj za katero so znali izračunati ločno dolžino
Prav prvi je to znal John Wallis (1616ndash1703) leta 1657
Denimo da nas zanima ločna dolžina `(b) te krivulje nad intervalom
[0b] (slika 20) Znano je da lahko uporabimo formulo za ločno dolžino
krivulje ki je dana v eksplicitni obliki
`(b) = intb
0
radic
1+yprime2dx
Pri tem je y = f (x) enačba krivulje in yprime = f prime(x) V našem primeru je y =
38
Slika 20 Neilova ali polkubična parabola
f (x) = plusmnradicx3a Kratek račun nam da yprime2 = 9x(4a) in
`(b) = intb
0
radic
1+9x4adx
Z uvedbo nove integracijske spremenljivke u z relacijo u2 = 1 + 9x(4a)
dobimo
`(b) =8a9 int
c
1u2du =
8a27
(c3 minus1)
pri čemer je c =radic
1+9b(4a)
Leibnizeva izohrona je krivulja po kateri se je leta 1687 vprašal G W
Leibniz Poiskati je treba v navpični ravnini krivuljo po kateri se brez
trenja giblje točkasta masa ki je podvržena konstantnemu težnostnemu
polju tako da je navpična komponenta njene hitrosti ves čas konstantna
Nalogo je prvi rešil C Huygens nizozemski astronom fizik in matema-
tik znan tudi po odkritju Saturnovega satelita Titana in znamenitih Sat-
urnovih obročev ter po izdelavi prve ure na nihalo kar je bilo za tiste čase
velik napredek v merjenju točnega časa
39
Slika 21 Leibnizeva izohrona
Izhodišče O postavimo v najvišjo točko krivulje (slika 21) V tej točki
je horizontalna hitrost premikajoče se mase m enaka 0 Naj bo v0 njegova
navpična hitrost navzdol Os y je vodoravna os x pa usmerjena navz-
dol Potencialno energijo mase računamo nad izbranim nivojem spodaj V
skladu z načelom ohranitve mehanske energije v času t in času 0 potem
velja12mv2(t)+mg(hminusx(t)) =
12mv2
0 +mgh
Pri tem je g težni pospešek Po poenostavitvi dobimo v2(t) = 2gx(t)+ v20
Vektor hitrosti ima v vsakem trenutku med seboj pravokotni komponenti
v(t) = (x(t) y(t)) za t = 0 pa v(0) = (v00) Upoštevamo da je ∣v(t)∣2 =
v2(t) = x2(t) + y2(t) in da je x(t) = v0 pa imamo sistem diferencialnih
enačb
x(t) = v0 y(t) =radic
2gx(t)
ki ga rešimo pri začetnih pogojih x(0) = y(0) = 0 in dobimo
x(t) = v0t y(t) =23
radic2gv0t3
40
Koordinati točk na dobljeni krivulji zadoščajo enačbi
ay2 = x3 a =9v2
0
8g
Pri dani konstanti a je v0 = (23)radic
2ag Iskana krivulja je torej Neilova
parabola Ime izohrona je dobila zato ker točkasta masa po vertikali
v enakih časih prepotuje enake razdalje V grščini beseda ἴσος pomeni
rdquoenakrdquo χρόνος pa rdquočasrdquo
Dolžina ` zanke krivulje K nas pripelje do zapletenega eliptičnega in-
tegrala za katerega zapišimo približno vrednost
` = 2aint1
0
radic9t4 minus2t2 +1dt ≐ 271559186a
Pač pa je dolžina loka ` četrtkubične parabole Ks ogrinjače premic s bolj
prijazna Za dolžino loka od točke D ki ustreza parametru t = 0 do točke
ki ustreza parametru t = α dobimo
` = 12aintα
0t2
radic1+ t2dt =
3a2
(α(1+2α2)radic
1+α2 minus ln(α +radic
1+α2))
Prav tako dolžina loka ` navadne parabole Kq ogrinjače premic q ne
dela težav Za dolžino loka od točke D ki ustreza parametru t = 0 do
točke ki ustreza parametru t = α dobimo
` = 2aintα
0
radic1+ t2dt = a(α
radic1+α2 + ln(α +
radic1+α2))
Za spremljajočo parabolo dobimo prav tako enostaven rezultat za ločno
dolžino od točke O do točke ki ustreza parametru t = α
` = intα
0
radic1+4t2dt =
a4(2α
radic1+4α2 + ln(2α +
radic1+4α2))
Nazadnje zapišimo še ločno dolžino polkubične parabole Kr
` = 6aintα
0tradic
1+ t2dt = 2a((1+α2)radic
1+α2 minus1)
41
Pri vseh zgornjih primerih je parameter t strmina premice p v prvotni
konstrukciji krivulje K
Ploščine in prostornine
Ploščina S lika ki ga omejuje zanka krivulje K je
S =2radica int
a
0xradicaminusxdx
Z uvedbo nove integracijske spremenljivke t z relacijo aminusx = t2 je
S =4radica int
radica
0t2(aminus t2)dt =
4radica int
radica
0(at2 minus t4)dt =
8a2
15
Lahko pa jo izrazimo tudi s splošno formulo ki smo jo izpeljali na začetku
razdelka S to formulo lahko izrazimo še prostornino V telesa ki ga pri
rotaciji okoli osi x opiše lik
V =πa int
a
0x2(aminusx)dx =
πa3
12
To je ravno polovica prostornine krogle s premerom a
Pač pa je izraz za ploščino S prime lika ki ga omejuje zanka krivulje Kprime bolj
zapleten izraz Uporabimo parametrični enačbi (4) in dobimo
S prime = int1
0(x(t)y(t)minus x(t)y(t))dt = 2a2
int
1
0
(1minus t2)3(1+2t2 minus3t4)(9t4 minus2t2 +1)2 dt
Če se zanesemo na računalniško računanje določenih integralov potem je
S prime =2a2
729(3(43πminus28)+52
radic2ln(1+
radic2))
kar je približno S prime ≐ 1059206796a2 Do enakega rezultata pridemo z
navidez enostavnejšo formulo
S prime = 2inta
0y(x)dx
42
toda drugim težjim integralom
S prime = 2int0
1y(t)x(t)dt = minus8a2
int
1
0
t2(1minus t2)3(3t2 +1)(9t4 +2t2 minus3)(9t4 minus2t2 +1)3 dt
Zakaj smo integrirali po parametru t od 1 do 0 Zato ker abscisa x narašča
od 0 do a ko t pada od 1 do 0 Ordinata y pa je pri tem nenegativna (glej
izraza (4))
Tudi izraz za prostornino V prime telesa ki ga pri rotaciji okoli osi x opiše
lik omejen s Kprime je navidez enostaven
V prime =πinta
0y2(x)dx
toda s parametrom t je zapleten a eksaktno izračunljiv
V prime =πint0
1y2(t)x(t)dt = 8πint
1
0
t3(t2 minus1)5(3t2 +1))(9t4 +2t2 minus3)(9t4 minus2t2 +1)4 dt
Za rezultat dobimo
V prime =2πa3
19683(431π
radic2+369+744ln2)
kar je približno V prime ≐ 08936800975a3
Naj bo s tem računanja integralov dovolj V nadaljevanju se bomo
posvetili nekaterim lažjim problemom
Tangenta
Pri krivuljah v koordinatnem sistemu Oxy so pomembni štirje dotikalni
elementi za posamezne točke T odsek na tangenti ∣TA∣ odsek na normali
∣T B∣ subtangenta ∣AT prime∣ in subnormala ∣BT prime∣ (slika 23) Izražajo se takole
∣TA∣ = ∣y
yprime
radic
1+yprime2∣ ∣T B∣ = ∣yradic
1+yprime2∣ ∣T primeA∣ = ∣y
yprime∣ ∣T primeB∣ = ∣yyprime∣
43
Slika 22 Ploščini likov omejenih z zankama krivulj K in Kprime
Pri tem pomeni yprime = f prime(x) če je enačba krivulje y = f (x) Točka T prime je pra-
vokotna projekcija točke T na abscisno os A je presečišče tangente na
krivuljo v točki T z osjo x B pa presečišče normale z osjo x Dotikalni
elementi so posebej definirani tudi za krivulje v polarnih koordinatah
Slika 23 Dotikalni elementi krivulje
De Sluse je za algebrsko krivuljo f (xy) = 0 po svoje našel izraz za sub-
tangento ts to je pravokotno projekcijo odseka na tangenti
44
na os x V današnji pisavi se subtangenta izraža v obliki
ts = minusy
partfparty (xy)
partfpartx (xy)
Za krivuljo K je f (xy) = ay2 minusx2(aminusx) = 0 in
ts =2x(xminusa)3xminus2a
Lotimo se še konstrukcije tangente t in normale n naK v točki T0(x0y0) ne
O ki enolično določa točko A(aay0x0) kot presečišče premice p skozi O
in T0 s premico x = a Skozi A povlecimo vzporednico nprime z normalo n na K
v točki T0 Normala ima smerni koeficient kn = tsy0 oziroma
kn =
partfparty (x0y0)
partfpartx (x0y0)
=2ay0
x0(3x0 minus2a)
Premica nprime ima enačbo
y minusay0
x0=
2ay0
x0(3x0 minus2a)(xminusx0)
in preseka abscisno os v točki T1(x10) za katero po krajšem računu do-
bimo x1 = 2a minus 3x02 Točko T1 in premico nprime zlahka geometrijsko kon-
struiramo Iskana tangenta t v točki T0 je pravokotna na nprime normala n pa
vzporedna z nprime (slika 24)
Inverzija krivulje K na krožnici
Po navadi za ravninske krivulje pogledamo še njihove inverzne slike na
krožnici Inverzija ali zrcaljenje na krožnici x2 + y2 = r2 je ravninska pres-
likava ι definirana s predpisom
ι ∶ (xy)↦ (r2x
x2 +y2 r2y
x2 +y2)
45
Slika 24 Tangenta in normala na krivuljo K
S spreminjanjem polmera r krožnice dobimo med seboj podobne krivulje
Če zrcalimo na krožnici x2 + y2 = a2 krivuljo K ki ima implicitno enačbo
(2) dobimo krivuljo Klowast ki ima enačbo
y4 = minusx3(aminusx)
ki je formalno oblike (2) zam = 4n = 3p = 1 in k = minus1 Dobljena krivuljaKlowast
je simetrična glede na os x ima dve veji abscisa na njej doseže ekstremni
vrednosti v točkah O(00) in D(a0) Ima pa kot bomo videli tudi dve
asimptoti y = xminusa4 in y = minusx+a4 (slika 25)
Krivuljo Klowast se da lepo parametrizirati s parametrom τ če v njeno
enačbo y4 = minusx3(aminusx) vstavimo y = τx Dobimo
x(τ) =a
1minusτ4 y(τ) =aτ
1minusτ4
To sta parametrični enačbi krivulje Klowast
Ko τ uarr minus1 x(τ)rarr minusinfin in y(τ)rarr +infin ko τ darr minus1 x(τ)rarr +infin in y(τ)rarr minusinfin
ko τ uarr +1 x(τ)rarr +infin in y(τ)rarr +infin ko τ darr +1 x(τ)rarr minusinfin in y(τ)rarr minusinfin
46
Slika 25 Inverzna slika Klowast krivulje K
Konstanti k in n poševne asimptote y = kx + n krivulje Klowast dobimo s
formulama
k = limxrarrplusmninfin
y
x n = lim
xrarrplusmninfin(y minus kx)
V našem primeru je
k = limxrarrplusmninfin
y
x= limτrarrplusmn1
τ = plusmn1 n = a limτrarrplusmn1
τ ∓11minusτ4 = ∓
a4
Poševni asimptoti sta torej premici y = plusmn(xminusa4)
Obnašanje krivulje v okolici točke D utemeljimo če zapišemo impli-
citno obliko krivulje nekoliko drugače
y4 = (xminusa)x3 = (xminusa)(a+(xminusa))3 = a3(xminusa)+3a2(xminusa)2+3a(xminusa)3+(xminusa)4
47
Slika 26 Krivulja Klowast in približka v okolici točk O in D
Za x ki je zelo blizu a prevlada na desni prvi člen tako da je y4 asymp a3(xminusa)
Razlika xminusa se torej obnaša približno tako kot bikvadrat ordinate y
V okolici točke O kjer so abscise negativne iz istega razloga velja y4 asymp
minusax3 zato se tam krivulja obnaša približno tako kot četrtkubična parabola
(slika 26)
Inverzija krivulje Kprime na krožnici
Na krožnici x2 + y2 = a2 zrcalimo še krivuljo Kprime nožiščno krivuljo krivulje
K glede na točko O Dobimo dvodelno krivuljo Kprimelowast kakršno vidimo na
sliki 27
Enačba nove krivulje v implicitni obliki je
4(x2 minusy2)2 minus4ax(x2 minus9y2)minus27a2y2 = 0
48
Slika 27 Inverzna slika Kprimelowast krivulje Kprime
Krivulja je algebrska četrte stopnje je simetrična glede na os x ima ost
z vodoravno tangento v točki O skozi točko D pa poteka v blagem loku
Natančneje ugotovimo približni potek krivulje v okolici teh dveh točk če
v zgornji enačbi obdržimo prevladujoče člene V okolici točke O kjer so
abscise negativne je ay2 asymp minus4x327 torej približno tako kot polkubična
parabola V okolici točke D(a0) je y2 asymp minus4a(x minus a) kar pomeni da se
krivulja obnaša približno tako kot parabola
Pritisnjeni krožnici na K
Pritisnjeni krožnici v točki O na krivuljo K sta inverzni sliki asimptot
krivulje Klowast na krožnici x2 + y2 = a2 Preprost račun pokaže da se asimp-
toti krivulje Klowast z inverzijo ι preslikata v krožnici x2 + y2 plusmn4ay minus4ax = 0 ki
imata središči v točkah Splusmn(2aplusmn2a) in polmer 2aradic
2 Sekata se pavokotno
v točkah O in M(4a0) Inverzija ι namreč ohranja kote (slika 28)
49
Slika 28 Pritisnjeni krožnici na krivuljo K v točki O
Ukrivljenost κ(t) krivulje K v točki ki ustreza parametru t brez težav
izračunamo iz njenih parametričnih enačb (3)
κ(t) =2(3t2 +1)
a(1minus2t2 +9t4)32
V posebnem primeru je v točki O to se pravi za t = plusmn1 ukrivljenost enaka
κ(plusmn1) = 1(2aradic
2) zato sta v O polmera pritisnjenih krožnic 1κ(plusmn1) =
2aradic
2 kar se seveda ujema z rezultatom dobljenim z inverzijo na krožnici
Toksoida
Videli smo da je inverzna slika krivulje K krivulja Klowast ki ima enačbo y4 =
minusx3(aminusx) ki je formalno oblike (2) zam = 4n = 3p = 1 in k = minus1 Prav tako
je krivulja ay2 = minusx2(aminus x) ki jo dobimo iz enačbe ay2 = x2(aminus x) krivulje
K če zamenjamo aminus x z x minus a formalno oblike (2) za m = 2n = 2p = 1 in
50
k = minus1a Krivuljo označimo jo s T ki ima enačbo
ay2 = x2(xminusa)
je nemški amaterski matematik samouk in izumitelj Diedrich (tudi Diede-
rich) Uhlhorn (1764ndash1837) imenoval rdquotoksoidardquo V svojem delu [13] obrav-
nava več krivulj in za nekatere tudi opiše mehanske naprave s katerimi
se jih da risati pa tudi njihovo uporabo pri reševanje enačb Beseda rdquotok-
soidardquo izvira iz dveh grških τόξον kar pomeni rdquolokrdquo (kot orožje) pa tudi
rdquopuščicardquo in εἶδος kar med drugim pomeni rdquooblika podobardquo D Uhlhorn
je imenoval krivuljo v nemščini rdquoBogenlinierdquo ker nemški samostalnik rdquoBo-
genrdquo pomeni prav tako rdquolokrdquo Iz besede τόξον smo dobili tudi besede ki
so povezane s strupi kajti bojne puščice so bile često zastrupljene
Slika 29 Toksoida
Toksoida ima tudi izolirano točkoO(00) saj njeni koordinati zadoščata
implicitni enačbi
Iz implicitne enačbe toksoide dobimo z zamenjavo y = tx njeni parametri-
čni enačbi
x(t) = a(1+ t2) y(t) = at(1+ t2) (5)
ki pa ne vključujeta izolirane točke O
51
Toksoida je algebrska krivulja tretje stopnje simetrična glede na os x
ki jo preseka za t = 0 v točki D(a0) kjer ima navpično tangento Krivulja
na prvi pogled ni nič posebnega a že D Uhlhorn je pokazal kako se kon-
struira njene posamezne točke in kako se z njo podvoji kocko
Slika 30 Konstrukcija točk toksoide
Do točke T na toksoidi pridemo takole V koordinatnem sistemu Oxy
za pozitiven a določimo točko D(a0) in skoznjo konstruiramo pravokot-
nico na os x torej premico x = a (slika 30) Na tej premici izberemo točko
A ki jo bomo spreminjali da bomo dobili krivuljo Skozi O in A nato
načrtamo premico p v A pa nanjo pravokotnico q ki seka abscisno os v
točki B V B postavimo na abscisno os pravokotnico r ki preseka premico
p v točki T Ko A potuje po premici x = a točka T opiše toksoido T brez
izolirane točke O
Da res dobimo toksoido T je treba samo zapisati enačbi y = tx premice
p in y = minus(x minus a)t + at premice q ter točki A(aat) in B(a(1 + t2)0) ter
T (a(1+t2)at(1+t2)) Koordinati točke T pa res dasta paramatrični enačbi
52
toksoide
Slika 31 Konstrukcija srednjih geometrijskih sorazmernic s toksoido
Iz podobnih trikotnikov ODA OAB in OBT na sliki 30 sledi relacija
∣OD ∣
∣OA∣=∣OA∣
∣OB∣=
∣OB∣∣OT ∣
kar pomeni da sta ∣OA∣ in ∣OB∣ srednji geometrijski sorazmernici daljic
∣OD ∣ = a in ∣OT ∣ = b Zato lahko izrazimo ∣OA∣ =3radica2b in ∣OB∣ =
3radicab2 na isti
način kot pri (3)
Če imamo že načrtano toksoido T potem srednji geometrijski sorazmer-
nici za a in b gt a dobimo tako da poiščemo presečišče T krožnice s sredi-
ščem v O skozi točko C(b0) in na zgoraj opisan način poiščemo premice
pq in r ter točki A in B (slika 31) Za b = 2a na ta način rešimo problem
podvojitve kocke ∣OA∣ = a 3radic
2
Ukrivljenost κ(t) toksoide T v točki ki ustreza parametru t brez težav
53
izračunamo iz njenih parametričnih enačb (5)
κ(t) =2(3t2 minus1)
a(1+10t2 +9t4)32
Opazimo da ukrivljenost menja predznak pri t = plusmn1radic
3 kar nam da točki
Pplusmn(4a3plusmn4aradic
39) v katerih ima T prevoja s tangentama s smernima koe-
ficientoma plusmnradic
3 Tangenti oklepata z osjo x kota plusmnπ3 Pritisnjena krožnica
v točki D ki ustreza t = 0 ima za polmer 1∣κ(0)∣ = a2 in središče v točki
S(3a20) (slika 32)
Slika 32 Prevoja toksoide T in pritisnjena krožnica v točki D
Prevoja sta konstruktibilna pri čemer si lahko pomagamo z vesico pis-
cis nad daljico OD Njeni točki Vplusmn sta narazen za aradic
3 premici skozi O
in Vplusmn pa določata smeri tangent v prevojih Prav tako je konstruktibilna
točka S V okolici točk D in Pplusmn je ujemanje toksoide s pritisnjeno krožnico
v D in tangentama v prevojih Pplusmn zelo dobro
54
Enačba toksoide T v polarnih koordinatah in ϕ je
(ϕ) =a
cos3ϕ
kar sledi iz njene implicitne oblike
a(x2 +y2) = x3
Pri tem je treba le upoštevati zvezi x2 +y2 = 2 in x = cosϕ
Polarna oblika je zelo primerna za študij inverzije na krožnici s središčem
v točki O in polmerom R Če je namreč lowast polarni polmer invertirane
krivulje mora veljati relacija
(ϕ)lowast(ϕ) =R2
Če izberemo R = a dobimo za inverzno sliko toksoide T krivuljo (slika 33)
T lowast ki ima nasledno enačbo v polarnih koordinatah
lowast(ϕ) = acos3ϕ
Slika 33 Inverzna slika T lowast toksoide T
55
Iz polarne oblike krivulje T lowast hitro izpeljemo še njeno implicitno enačbo
(x2 +y2)2 = ax3
Torej je T lowast algebrska krivulja četrte stopnje
Ploščino S lika ki ga ograjuje krivulja T lowast izračunamo po znani for-
muli
S = 2 sdot12 int
π2
0lowast2(ϕ)dϕ = a2
int
π2
0cos6ϕdϕ = a2 sdot
56
sdotπ2=
5πa2
32
Krivulja T lowast je simetrična glede na os x v točkah O in D ima navpični
tangenti največji odklon od osi x pa doseže v točkah Yplusmn(9a16plusmn3aradic
316)
kjer ima vodoravni tangenti in sicer pri polarnih kotih plusmnπ6
De Slusove pomnoževalke hiperkock
Podvojitev kocke je kot vemo klasični grški geometrijski problem ki se ga
ne da rešiti evklidsko to je samo z neoznačenim ravnilom in šestilom kar
so dokazali šele v 19 stoletju Problem zahteva določiti rob kocke ki ima
prostornino enako dvakratniku prostornine dane kocke To pomeni da
je treba za dano daljico a konstruirati tako daljico b za katero je b = a 3radic
2
Problem podvojitve kocke so Grki znali rešiti na več načinov Eden od njih
je možen s posebno ravninsko krivuljo z Dioklovo cisoido (več na primer
v [7])
Povsem smiselno se je vprašati kako bi pomnožili s faktorjem s gt 0
poljubno r-razsežno hiperkocko z robom a Njena prostornina je ar zato
je b = a rradics rob hiperkocke katere prostornina je s-kratnik prostornine
hiperkocke z robom a Dva primera sta trivialna Za r = 1 imamo daljico
56
njena rdquoprostorninardquo je kar njena dolžina a za r = 2 pa kvadrat čigar rdquopros-
torninardquo je kar njegova ploščina a2 Za r = 3 imamo opraviti z običajno
kocko z običajno prostornino a3 V prvih dveh primerih množenje s fak-
torjem s ni problematično saj s problemom lahko geometrijsko rešimo s
podobnimi trikotniki in z višinskim izrekom v pravokotnem trikotniku
Za r ge 4 si r-razsežno hiperkocko teže predstavljamo ker je ne moremo
realizirati z običajno geometrijo To pa ni ovira pri pomnožitvi take hiper-
kocke s številom s ker moramo znati samo njen rob a geometrijsko pom-
nožiti s številom rradics kar pa lahko naredimo v običajni ravnini V mate-
matični analizi je r-razsežna hiperkocka z robom a na primer kar r-kratni
kartezični produkt intervala [minusa2a2] s samim seboj to je množica
[minusa2a2]r = (x1x2 xr) isinRr ∶ ∣x1∣ le a2 ∣x2∣ le a2 ∣xr ∣ le a2
Oglejmo si de Slusove perle (2) z eksponenti mn =mminus 1 in p = 1 fak-
torjem k = 1 ter a gt 0 pri čemer je m sodo število to se pravi krivulje z
implicitno enačbo
ym = xmminus1(aminusx) (6)
oziroma xm + ym = axmminus1 Pri danem m označimo ustrezno krivuljo s Hm
Med njimi je tudi stara znanka x2 + y2 = ax krožnica s polmerom a2
in središčem v točki S(a20) Skupne vsem krivuljam so točke O(00)
Cplusmn(a2plusmna2) D(a0) ter navpični tangenti v O in D Krivulje Hm so za-
ključene in simetrične glede na os x in se dajo lepo parametrizirati z y = tx
Za vsako dobimo parametrično enačbo
x(t) =a
1+ tm y(t) =
at1+ tm
(7)
Najbolj se taka krivulja oddalji od abscisne osi za t = 1 mradicmminus1 v točkah
Yplusmn(a(mminus1)mplusmnam mradic
(mminus1)mminus1) Za t = 0 dobimo točko D za ∣t∣rarrinfin pa
57
se krivulja bliža točki O Slika 34 kaže nekaj primerov
Slika 34 Nekaj krivulj Hm
Naj bo s poljubno pozitivno število in A(0as) točka na osi y Premica
skozi A in D preseka krivuljo Hm v točkah D(a0) in B(x0y0) za katero
potrebujemo samo razmerje y0x0 Na sliki 35 je izbran eksponent m = 4
Premica skozi A in D ima enačbo xa+sya = 1 iz katere izrazimo aminusx = sy
in vstavimo v enačbo (6) Dobimo ym = ysxmminus1 Ker iščemo točko B s
pozitivno ordinato lahko z y krajšamo in dobimo y0x0 =mminus1radics
Premica skozi O in B ima enačbo y = y0xx0 in preseka premico x = a
v točki C(aay0x0) oziroma C(aa mminus1radics) Zato je ∣DC∣ = ∣OD ∣ mminus1
radics) V
primeru m = 4 in s = 2 je ∣DC∣ = ∣OD ∣3radic
2) kar pomeni da se nam je pos-
rečilo podvojiti trirazsežno kocko Za s = 3 kocko potrojimo za s = 4
početverimo itd Še več zam = 6 in s = 2 podvojimo 5-razsežno hiperkocko
58
za s = 3 jo potrojimo za s = 4 početverimo itd
Slika 35 Krivulja H4 in pomnožitev roba trirazsežne kocke
Lihih m nam ni treba posebej obravnavati ker krivulje Hm ne bi bile
prave de Slusove perle Poleg tega bi tedaj bil mminus 1 sodo število denimo
m minus 1 = 2αq z naravnim α in lihim q Korenjenje se potem da izvesti z
α-kratnim kvadratnim korenjenjem in enim q-tim korenjenjem s krivuljo
Hq+1 kakor smo zgoraj opisali
Drug način za pomnožitev hiperkock poteka s cisoidami Cm krivuljHm
in premice x = a Pri parametru t premica y = tx preseka premico x = a
v točki C(aat) točka B pa ima tedaj koordinati dani z parametričnima
enačbama (7) S koordinatami točk B in C imamo takoj
ETHBC = (aminus
a1+ tm
at minusat
1+ tm) = (
atm
1+ tmatm+1
1+ tm)
59
Slika 36 Nekaj krivulj Cm
Da bo točka T na cisoidi Cm mora veljati zvezaETHOT =
ETHBC Potemtakem ima
Cm parametrični enačbi
x(t) =atm
1+ tm y(t) =
atm+1
1+ tm (8)
Ker je t = yx dobimo še implicitno enačbo krivulje Cm
xm+1 = ym(aminusx) (9)
oziroma x(xm+ym) = aym Krivulje so za sodem definirane nad intervalom
60
[0a) so simetrične glede na os x imajo za asimptoto premico x = a in
potekajo skozi koordinatno izhodišče O in točki Cplusmn(a2plusmna2) Asimptoti
se krivulja bliža ko ∣t∣ rarr infin V točki O pri t = 0 imajo ost z vodoravno
tangento Za m = 2 dobimo staro znanko Dioklovo cisoido
Slika 37 Krivulja C4 in pomnožitev roba 5-razsežne hiperkocke
Izberimo sedaj na ordinatni osi točko A(0as) pri čemer je s pozi-
tivno število in vzemimo premico skozi točki A in D (slika 37) Ta ima
enačbo xa + y(as) = 1 iz katere izrazimo a minus x = ys Premica preseka
cisoido Cm v točki M(x0y0) s pozitivno ordinato Iz enačb premice skozi
A in D in (9) dobimo y0x0 = m+1radics Premica skozi točki O in M ima
enačbo y = y0xx0 in preseka premico x = a v točki E(aa m+1radics) Torej velja
61
zveza ∣DE∣ = ∣OD ∣ m+1radics kar pomeni da smo našli rob (m + 1)-razsežne
hiperkocke ki ima za prostornino s-kratnik prostornine dane (m + 1)-
razsežne hiperkocke
Naj bo Sm ploščina lika ki ga omejuje krivulja Hm in Qm ploščina
neomejenega lika ki ga omejuje krivulja Cm z asimptoto Ni ju težko
izraziti
Pm =a2(mminus1)πm2 sin π
m Qm =
a2(m+1)πm2 sin π
m
Nadalje naj bo Vm prostornina telesa ki nastane z rotacijo krivulje Hm
okoli osi x Wm pa prostornina neomejenega telesa ki nastane z rotacijo
krivulje Cm okoli osi x Prav tako ju ni težko izraziti
Vm =2a3(mminus1)(mminus2)π2
3m3 sin 2πm
Wm =2a3(m+1)(m+2)π2
3m3 sin 2πm
Ploščine in prostornine so poleg drugega zanimale že matematike v
17 stoletju zlasti C Huygensa Izračunajmo prostornino telesa Um ki
nastane z rotacijo lika med cisoido in njeno asimptoto okoli te asimptote
(slika 38) Uporabili bomo sodobne zapise in Eulerjevi funkciji B in Γ ki
ju C Huygens še ni mogel poznati Presek nastalega telesa na višini y je
krog s polmerom aminusx in ploščino π(aminusx)2 Upoštevamo še simetrijo lika
glede na os x uporabimo parametrično obliko (8) in nastavimo integral
Um = 2πintinfin
0(aminusx(t))2y(t)dt = 2πa3
int
infin
0
tm(tm +m+1)(1+ tm)4 dt
ki ga lahko izrazimo v obliki
Um = 2πa3(I2 + (mminus1)I3 minusmI4)
pri čemer je
Ik = intinfin
0
dt
(1+ tm)k
62
ki ima za m ge 2 in k ge 1 končno vrednost S substitucijo u = 1(1 + tm)
dobimo
Ik =1m int
1
0ukminus1minus1m(1minusu)1mminus1du =
1m
B(kminus1m1m) =Γ(k minus1m)Γ(1m)
mΓ(k)
Na koncu je rezultat zelo preprost
Um =2π2a3(m2 minus1)
3m3 sin πm
Prve tri prostornine so
U2 =π2a3
4 U4 =
5radic
2π2a3
32 U6 =
35π2a3
162
Slika 38 Telo nastalo z zasukom lika med krivuljo C2 in njeno asimptoto
okoli te asimptote
Izračunajmo prostornino telesa Um ki nastane z rotacijo lika med cisoido
in njeno asimptoto okoli osi y (slika 39) Presek nastalega telesa na višini y
63
je krožni kolobar z notranjim polmerom x in zunanjim polmerom a ki ima
ploščino π(a2minusx2) Upoštevamo še simetrijo lika glede na os x uporabimo
parametrično obliko (8) in nastavimo integral
Um = 2πintinfin
0(a2 minusx2(t))y(t)dt = 2πa3
int
infin
0
tm(tm +m+1)(2tm +1)(1+ tm)4 dt
ki ga lahko izrazimo z zgoraj vpeljanimi integrali Ik v obliki
Um = 2πa3(2I1 + (2mminus3)I2 minus (3mminus1)I3 +mI4)
Na koncu dobimo za rezultat
Um =2π2a3(m+1)(2m+1)
3m3 sin πm
Prve tri prostornine so
U2 =5π2a3
4 U4 =
15radic
2π2a3
32 U6 =
91π2a3
162
V 17 stoletju so se zanimali tudi za težišča homogenih likov in teles
Lik ki ga omejuje krivulja Hm ima težišče na abscisni osi oddaljen za xT
od osi y Da bi lahko poiskali xT moramo najprej izračunati za ta lik
moment
Mm = 2inta
0xy dx = 2int
0
infinx(t)y(t)xdt = 2a3mint
infin
0
tm
(1+ tm)4 dt
Izrazimo z integrali Ik in dobimo
Mm = 2a3m(I3 minus I4) =πa3(mminus1)(2mminus1)
3m3 sin πm
Abscisa težišča lika je potem kvocient momenta Mm in ploščine Sm
xT =(2mminus1)a
3m
64
Slika 39 Telo nastalo z zasukom lika med krivuljo C2 in njeno asimptoto
okoli osi y
Lik omejen s krivuljo Cm ima težišče na abscisni osi oddaljen za xC
od osi y Da bi poiskali xC uporabimo kar PaposndashGuldinovo pravilo za
prostornino vrtenine
2πxC sdotQm = Um
kjer je Qm ploščina lika ki ga rotiramo okoli osi y Rezultat je proti vsem
pričakovanjem zelo preprost
xC =(2m+1)a
3m
Poznoantični matematik Papos iz Aleksandrije (290ndash350) v grščini Πάπ-
πος ὁ Αλεξανδρεύς v latinščini Pappus je pomemben ker je zbral prak-
tično vse dotakratno matematično znanje Grkov in dodal še marsikaj svo-
65
jega Njegovo najpomembnejše delo je rdquoZbirkardquo v grščini Συναγωγή Uk-
varjal se je tudi s klasičnimi grškimi geometrijskimi problemi
Jezuit Paul Guldin (1577ndash1643) je bil švicarski matematik in astronom
profesor matematike na Dunaju in v Gradcu Pred tem je študiral v Rimu
Skupaj s Paposom je znan
po pravilih za izračun prostornine rotacijskega telesa in površine rotacij-
ske ploskve
Slika 40 Telo nastalo z zasukom lika ki ga omejuje H4 okoli osi y
ProstorninaXm vrtenine ki nastane z rotacijo lika omejenega s krivuljo
Hm okoli osi y je po PaposndashGuldinovem pravilu za prostornino enaka
Xm = 2πxT sdot Pm = 2π(2mminus1)a
3msdota2(mminus1)πm2 sin π
m=
2π2a3(2mminus1)(mminus1)3m3 sin π
m
Slika 40 kaže vrtenino za primer krivulje H4 Podobne slike bi dobili tudi
za druge Hm
Če isti lik rotiramo okoli premice x = a tangente na krivuljo Hm v
točki D dobimo vrtenino s prostornino Ym ki jo izračunamo prav tako
66
po PaposndashGuldinovem pravilu za prostornino in dobimo
Ym = 2π(aminusxT ) sdot Pm = 2π(m+1)a
3msdota2(mminus1)πm2 sin π
m=
2π2a3(m2 minus1)3m3 sin π
m
Opazimo da je prostornina Ym enaka prostornini Um telesa ki nastane
z rotacijo lika med krivuljo Cm in njeno asimptoto okoli te asimptote
Dokler ni bil razvit infinitezimalni račun kakršnega poznamo danes
so računali ploščine težišča prostornine in površine za vsak primer pose-
bej Veliko so se v 17 stoletju pa tudi že prej znani matematiki ukvarjali
s cikloido na primer N Kuzanski M Mersenne G Galilei G P de Rober-
val C Wren G Cardano B Pascal I Newton G W Leibniz C Huygens
je neko njeno lastnost uporabil pri izdelavi ure na nihalo
Evdoksova kampila
Oglejmo si naslednjo konstrukcijo točk krivulje V točki D(a0) pri čemer
je a gt 0 postavimo pravokotnico p na abscisno os Na p izberemo točko
A ki jo bomo kasneje premikali po tej premici Skozi O in A načrtamo
premico q in skozi A krožnico s središčem v koordinatnem izhodišču O
Krožnica preseka abscisno os v točkah B in Bprime ki sta simetrični glede na
točko O V B in Bprime konstruiramo pravokotnici r in rprime na os x ki presekata
p v točkah T in T prime ki sta tudi simetrični glede na točko O Ko teče točka
A po premici p opišeta T in T prime dvodelno krivuljo ki so jo poimenovali
rdquoEvdoksova kampilardquo Točka T opiše njeno desno vejo T prime pa levo Krivulja
je očitno simetrična glede na obe koordinatni osi (slika 41)
Enačbo desne veje dobljene Evdoksove kampile je najlaže najprej izraz-
iti v polarnih koordinatah nato pa še v implicitni obliki v pravokotnih
67
Slika 41 Konstrukcija točk Evdoksove kampile
kartezičnih koordinatah Za polarni kot ϕ vzamemo naklonski kot pre-
mice q za polarni radij pa razdaljo ∣OT ∣ (slika 41) Najprej očitno veljata
zvezi ∣OA∣ = ∣OD ∣cosϕ = acosϕ in = ∣OT ∣ = ∣OB∣cosϕ = ∣OA∣cosϕ iz
katerih dobimo = acos2ϕ tako da je nazadnje pri pogoju minusπ2 ltϕ ltπ2
polarna enačba desne veje Evdoksove kampile
(ϕ) =a
cos2ϕ (10)
Obe veji krivulje imata implicitno obliko
a2(x2 +y2) = x4 (11)
ki jo dobimo iz polarne oblike z upoštevanjem zvez 2 = x2 + y2 in cosϕ =
x Krivulja v obliki (11) ima izolirano točko O(00) ki je posledica del-
jenja z ki je lahko tudi enak 0 Evdoksova kampila je algebrska krivulja
četrte stopnje
Z Evdoksovo kampilo se da podvojiti kocko Načrtamo krožnico s
središčem v točkiD in polmerom a Njena enačba je x2+y2 = 2ax Vstavimo
68
Slika 42 Podvojitev kocke z Evdoksovo kampilo
2ax namesto x2 + y2 v (11) in dobimo enačbo x4 minus2a3x = x(x3 minus2a3) = 0 ki
ima realni rešitvi x0 = 0 in x1 = a 3radic
2 V prvem kvadrantu se krožnica in
Evdoksova kampila sekata v točki T (a 3radic
2aradic
2 3radic
2minus 3radic
4) kar pomeni da
ima točka T absciso
∣T0T ∣ = b = a 3radic2
Kocka z robom b ima prostornino b3 = 2a3 torej dvakratnik prostornine
kocke z robom a
Grška beseda καμπύλος pomeni rdquokriv zavit upognjenrdquo v ženski ob-
liki καμπύλη beseda γραμμή pa rdquočrta potezardquo Polno ime krivulje je v
grščini καμπύλη γραμμή torej rdquokriva črtardquo na kratko so jo poimenovali kar
rdquokampilardquo kateri so dodali še Evdoksovo ime Evdoks iz Knida (408ndash355
pnš) Εὔδοξος ὁ Κνίδιος je bil starogrški matematik in astronom Bil je
Arhitov učenec v Tarentu grško Τάρας in Platonov na Akademiji v Ate-
nah Obiskal je tudi Sicilijo in Egipt Kasneje je ustanovil svojo šolo v
Kiziku grško Κύζικος ob Mramornem morju ali Propontidi grško Προ-
ποντίς Pomemben je njegov doprinos v teoriji razmerij in nesoizmerljivih
količin kar je uporabil Evklid Εὐκλείδης v svojih Elementih Στοιχεῖα
69
Grška beseda εὔδοξος pomeni med drugim rdquosloveč slaven ugledenrdquo
V astronomiji je Evdoks zagovarjal geocentrični svetovni sistem in za
pojasnitev gibanja planetov in Lune uvedel sistem koncentričnih sfer ki
se vrtijo ena v drugi S tem v zvezi je uvedel še eno krivuljo ki jo poznamo
pod imenom rdquoEvdoksova hipopedardquo
Problem podvojitve kocke je na svojevrsten način s torusom valjem
in stožcem rešil pitagorejec in vojaški poveljnik Arhitas iz Tarenta v južni
Italiji grško Αρχύτας ὁ Ταραντίνος rojen med letoma 435 in 410 umrl
pa med letoma 360 in 350 pnš Morda je Evdoks Arhitovo prostorsko
rešitev problema podvojitve kocke poenostavil na reševanje v ravnini in
tako prišel do svoje kampile Dokazano to ni nikjer ve se le da mu je
rešitev uspelo najti z neko krivuljo Način reševanja pa je podoben reše-
vanju z Uhlhornovo toksoido ki ima tudi podobno enačbo v polarni obliki
(ϕ) = acos3ϕ
Tako Uhlhornova toksoida kot Evdoksova kampila spadata v skupino
Clairautovih krivulj = acosnϕ ali = asinnϕ Če je n racionalno število
je Clairautova krivulja algebrska Alexis Claude Clairaut (1713ndash1765) je
bil francoski matematik in astronom
Evdoksovo kampilo brez izolirane toke O parametriziramo kar s po-
larnim kotom
x(ϕ) =a
cosϕ y(ϕ) =
asinϕcos2ϕ
Njena ukrivljenost κ(ϕ) se izraža v obliki
κ(ϕ) =cos3ϕ(3sin2ϕ minus1)
a(3sin2ϕ +1)32
Ukrivljenost spremeni predznak pri kotu ϕ za katerega je 3sin2ϕ minus1 = 0
V takih točkah ima krivulja prevoje Evdoksova kampila ima štiri in sicer
70
Slika 43 Desna veja Evdoksove kampile prevoja in pritisnjena krožnica
v točkah (plusmnaradic
62plusmnaradic
32) Strmini tangent v teh točkah sta plusmn2radic
2 Os x
presekata za desno vejo v točki G(3aradic
680) Krivinski polmer v točkah
D inDprime je enak a Središče pritisnjene krožnice v točkiD je v točki S(2a0)
Približno ujemanje krivulje tangent v prevojih Pplusmn in pritisnjene krožnice v
temenu D kaže slika 43 Ujemanje bi lahko izkoristili za približno podvo-
jitev kocke Če namesto Evdoksove kampile vzamemo kar njeno tangento
y = 2radic
2(xminusaradic
62)+aradic
32
v prevoju v prvem kvadrantu in poiščemo absciso ξ presečišča s krožnico
x2 +y2 = 2ax dobimo
ξa=
118
radic
24radic
6minus23+
radic6
3+
19≐ 1259956951
namesto točnejše vrednosti
3radic
2a
≐ 1259921049
71
Če bi podoben račun naredili za Uhlhornovo toksoido ki se v prevojih
tudi približno ujema s tangentama bi dobili slabši rezultat
Zgoraj opisani približek lahko izkoristimo za precej natančno evklid-
sko konstrukcijo roba b podvojene kocke z robom a V koordinatnem sis-
temu Oxy narišemo krožnico s polmerom a s središčem v točki D(a0)
skozi O pa konstruiramo premico p z naklonskim koeficientom k = 2radic
2
Na abscisni osi konstruiramo točkoG(3aradic
680) in skoznjo premico q vz-
poredno s p Presečišče te premice s krožnico je točka T njena pravokotna
projekcija na os y pa točka T0 Razdalja b = ∣T0T ∣ je dober približek za
a 3radic
2 (slika 44) Pri tem izkoristimo izraza za diagonalo kvadrata in višino
enakostraničnega trikotnika v katerih nastopataradic
2 inradic
3 s kombinacijo
obeh pa šeradic
6 Podrobnosti so izpuščene z malo truda lahko konstrukcije
izvede vsak sam
Slika 44 Približna podvojitev kocke
Zrcalno sliko Evdoksove kampile (11) na krožnici x2 + y2 = a2 takoj
dobimo iz polarne oblike njene desne veje lowast(ϕ) = acos2ϕ Z zapisom v
pravokotnih kartezičnih koordinatah dobimo implicitno obliko za celotno
prezrcaljeno krivuljo
(x2 +y2)3 = a2x4
72
Krivulja je algebrska šeste stopnje Simetrična je glede na obe koordinatni
osi Njeni največji odkloni od osi x so pri polarnih kotih ϕ za katere je
3sin2ϕ = 1 to je v točkah (plusmn2aradic
69plusmn2aradic
39) kjer ima krivulja vodo-
ravni dvojni tangenti
Slika 45 Zrcaljenje Evdoksove kampile na krožnici
Nova krivulja spada med Clairautove Ploščina P obeh delov jajčastih
oblik je
P = 4 sdota2
2 intπ2
0cos4ϕdϕ = 2a2 sdot
34
sdotπ2=
3πa2
8
Problem podvojitve kocke grško διπλασιασμός τοῦ κύβου ali deloški
problem poimenovan po grškem otoku Delosu v Egejskem morju je reše-
valo več grških geometrov ki so celo skušali izdelati v ta namen posebno
orodje Platon je pograjal Evdoksove Arhitove in Menajhmove učence
češ da njihovi napori kvarijo kar je dobrega v geometriji Nastal je celo
epigram (puščica zbadljivka) v zvezi s podvojitvijo kocke ki je zapisan v
Evtokijevih komentarjih k Arhimedovi razpravi rdquoO krogli in valjurdquo grško
Περὶ σφαίρας καὶ κυλίνδρου Matematik in neoplatonist Evtokij iz Aškalona
v Palestini Εὐτόκιος ὁ Ασκαλονίτης je bil poznoantični matematik rojen
73
okoli leta 480 umrl pa je okoli leta 520 O njem se ve bore malo Nekaj
časa je deloval v Atenah nazadnje pa v Aleksandriji Napisal je tudi ko-
mentarje k Apolonijevi razpravi rdquoStožnicerdquo v grščini Κωνικά Na stožnice
se je v srednjem kar nekoliko pozabilo zanimanje zanje je spet oživelo
šele v času Keplerja in Newtona ko je bil potreben opis gibanja planetov
v heliocentričnem svetovnem sistemu
Navedimo omenjeni epigram v grščini in v prevodu S Weiss (vzeto iz
obsežnega knjižnega dela v treh delih [3])
Μηδὲ σύ γrsquo Αρχύτεω δυσμήχανα ἔργα κυλίνδρων
μηδὲ Μεναιχμείους κωνοτομεῖν τριάδας
διζήσηι μηδrsquo εἴ τι θεουδέος Εὐδόξοιο
καμπύλον ἐν γραμμαῖς εἶδος ἀναγράφεται
Težkih Arhitovih del s cilindri nikar ne posnemaj
stožnic Menajhmovih treh nikdar izsekal ne boš
niti ne boš spoznal če božanskega črte Evdoksa
res zarišejo lik tak iz zavitih kampil
Videli smo kaj vse se da povedati o neki krivulji če obvladamo in-
finitezimalni račun Seveda nam je to sedaj ko imamo na voljo najnovejše
pripomočke in obsežno ter dostopno matematično literaturo veliko laže
kot je bilo matematikom v 17 stoletju ko so v marsičem še orali ledino
Pomembni znanstveniki rojeni v 17 stoletju
Navedimo nekaj pomembnih znanstvenikov predvsem matematikov fizi-
kov in astronomov ki so se rodili v 17 stoletju Razvrščeni so po letnicah
74
rojstva Veliko podatkov dobimo v [1 5] in na svetovnem spletu
Gilles Personne de Roberval (1602ndash1675)
Pierre de Fermat (1607ndash1665)
Giovanni Alfonso Borelli (1608ndash1679)
Evangelista Torricelli (1608ndash1647)
John Pell (1610ndash1685)
Johann Hevel (1611ndash1687)
Frans van Schooten (1615ndash1660)
Carlo Renaldini (1615ndash1698)
John Wallis (1616ndash1703)
Henry Oldenburg (1618ndash1677)
Michelangelo Ricci (1619ndash1682)
William Brouncker (1620ndash1684)
Edmeacute Mariotte (1620ndash1684)
Jean Picard (1620ndash1682)
Vincenzo Viviani (1622ndash1703)
Reneacute-Franccedilois de Sluse (1622-1685)
Blaise Pascal (1623ndash1662)
Giovanni Domenico Cassini (1625ndash1712)
Robert Boyle (1627ndash1691)
Christiaan Huygens (1629ndash1695)
Isaac Barrow (1630ndash1677)
Ehrenfried Walther von Tschirnhaus (1631ndash1708)
Christopher Wren (1632ndash1723)
Johann Hudde (1633ndash1704)
Robert Hooke (1635ndash1703)
75
William Neile (1637ndash1670)
James Gregory (1638ndash1675)
Philippe de la Hire (1640ndash1719)
Isaac Newton (1643ndash1727)
Olaus Roslashmer (1644ndash1710)
Gottfried Wilhelm Leibniz (1646ndash1716)
Denis Papin (1647ndash1712)
Michel Rolle (1652ndash1719)
Pierre Varignon (1654ndash1722)
Jacob Bernoulli (1655ndash1705)
Edmund Halley (1656ndash1742)
Guillaume Franccedilois Antoine LrsquoHocircpital (1661ndash1704)
David Gregory (1661ndash1708)
Abraham de Moivre (1667ndash1754)
Johann Bernoulli (1667ndash1748)
Jacopo Francesco Riccati (1676ndash1754)
Giulio Carlo Fagnano (1682ndash1766)
Roger Cotes (1682ndash1716)
Reneacute Antoine Reacuteaumur (1683ndash1757)
Greacutegoire de Saint-Vincent (1584ndash1667)
Brook Taylor (1685ndash1731)
Gabriel Daniel Fahrenheit (1686ndash1736)
Colin Maclaurin (1698ndash1746)
Pierre Louis Moreau de Mapertuis (1698ndash1759)
76
Viri
[1] I Asimov Biografska enciklopedija znanosti in tehnike Tehniška za-
ložba Slovenije Ljubljana 1978
[2] J Bair V Henry Sluse ses perles et son algorithme Losanges 14
(2011) str 14ndash18 httphdlhandlenet2268100155 (videno 10
7 2021)
[3] G Kocijančič (urednik) Fragmenti predsokratikov Študentska za-
ložba Ljubljana 2012
[4] G Loria Spezielle algebraische und transscendente ebene Kurven
Teubner Leipzig 1902
[5] U C Merzbach C B Boyer A History of Mathematics John Wiley amp
Sons Hoboken New Jersey 2011
[6] J J OrsquoConnor E F Robertson Reneacute Franccedilois Walter de Sluze MacTu-
tor
httpsmathshistoryst-andrewsacukBiographiesSluze
(videno 10 7 2021)
[7] B von Pape Von Eudoxus zu Uhlhorn Books on Demand Norderstedt
2019
[8] M Razpet Pomnožitev hiperkocke Obzornik mat fiz 68 (2021) št 1
str 1-9
[9] M Razpet in N Razpet Prepogibanje papirja podvojitev kocke in
Slusova konhoida Obzornik mat fiz 67 (2020) št 2 str 41-51
77
[10] Y Renotte Reneacute de Sluze dialogues avec Christiaan Huygens
Bulletin de lrsquouniversiteacute du 3e acircge - Liegravege 23 (2021) 4 strani
httphdlhandlenet22682596400 (videno 10 7 2021)
[11] R F Slusius Mesolabum seu duaelig mediaelig proportionales inter ex-
tremas datas per circulum et ellipsim vel hyperbolam infinitis modis
exhibitaelig Leodii Eburonum Liegravege 1659
[12] R F Slusius Mesolabum seu duaelig mediaelig proportionales inter ex-
tremas datas per circulum et per infinitas hyperbolas vel ellipses et
per quamlibet exhibitaelig ac problematum omnium solidorum effectio
per easdem curvas Leodii Eburonum Liegravege 1668
[13] D Uhlhorn Entdeckungen in der houmlhern Geometrie theoretisch und
practisch abgehandelt Schulzersquosche Buchhandlung Oldenburg 1809
[14] I Vidav Algebra Mladinska knjiga Ljubljana 1972
Avtor se zahvaljuje prof dr Milanu Hladniku za strokovni pregled
copy(2021) Marko Razpet
78
La Sapienza nato pa je imel priložnost študirati v Italiji teologijo filo-
zofijo zgodovino matematiko fiziko astronomijo in jezike (baje je znal
tudi grško hebrejsko arabsko in sirsko)
Slika 2 Viseacute na zemljevidu iz sredine 19 stoletja
Katoliška univerza v Leuvenu je najstarejša univerza na ozemlju današ-
njega Beneluksa ustanovljena leta 1425 Univerza La Sapienza (rdquosapienzardquo
pomeni v italijanščini znanje) je bila ustanovljena kot papeška univerza
leta 1303 v zadnjem letu vladanja papeža Bonifacija VIII Ime je dobila
po stavbi v katero se je naselila Po doktoratu je de Sluse nekaj časa služil
papežema Inocencu X in Aleksandru VII kot tajnik Zadolžen je bil za to
da je papeške uradne dokumente na primer papeške bule obrazložil lju-
dem na razumljiv način Papežu Inocencu X je z znanjem jezikov pogosto
prevajal pisma ki so bila namenjena škofom na Grškem in v Armeniji
V Rimu se je de Sluse srečal s priznanimi takratnimi znanstveniki med
katerimi sta bila tudi B Cavalieri ki je s svojim delom nekako napovedal
integralski račun in E Torricelli
Leta 1650 je bil imenovan za kanonika kolegijske cerkve v Viseacuteju čeprav
je bilo to imenovanje le nominalno da bi mu zagotovilo dohodke Ni se
mu bilo treba takoj vrniti v Viseacute ampak je ostal še malo v Rimu ki ga je
7
zapustil naslednje leto ko ga je papež Inocenc X imenoval za kanonika v
katedrali sv Lamberta v Liegravegeu Zaradi svojega znanja prava je v Cerkvi
hitro napredoval in kmalu se je povzpel na vplivne položaje Leta 1659
je postal član zasebnega sveta katedrale v Liegravegeu leta 1666 pa kot cis-
tercijanski duhovnik opat opatije La Paix Dieu v Amayu (valonsko Ama)
jugozahodno od Liegravegea Bil je tudi zasebni svetovalec koumllnskega nadškofa
in volilnega kneza Svetega rimskega cesarstva tudi škofa v Liegravegeu Mak-
similijana Henrika Bavarskega (1621ndash1688) Umrl je 19 marca 1685 v
Liegravegeu
Reneacutejev brat Johannes Walter (1628ndash1687) se je v cerkveni hierarhiji
leta 1686 povzpel vse do kardinala Rojen je bil prav tako v Viseacuteju umrl pa
je v Rimu kjer je tudi pokopan in sicer v cerkvi Santa Maria dellrsquoAnima
Beseda rdquohierarhijardquo je grškega izvora Njen prvi del izhaja iz besede
ἱερός kar pomeni rdquosvet posvečen božjirdquo drugi del pa iz besede ἀρχός kar
pomeni rdquoprvak gospodar vladarrdquo
Omenjena kolegijska cerkev je naziv za tiste cerkve v katerih je Sveti
sedež ustanovil kapitelj ali kolegij klerikov (duhovnikov) imenovanih ka-
noniki Namen te ustanove je bil narediti bolj slovesno bogoslužje v cerk-
vah izbranega določenega pomena Ustanovitev posodobitev ali ukinitev
kolegijskih cerkva je bil v pristojnosti Svetega sedeža
Kanonik je v katoliški cerkvi dostojanstvenik član stolnega kapitlja
škofov svetovalec izvedenec za cerkveno pravo Sama beseda kanonik
izhaja iz grške κανών kar pomeni rdquovzorec predpis pravilo vodilordquo
Zaradi zahtevnih cerkvenih dolžnosti de Sluse ni imel več priložnosti
potovati toliko kot bi si želel Da bi zadovoljil svojo veliko intelektu-
alno radovednost si je stalno dopisoval z nekaterimi velikimi evropskimi
učenjaki B Pascalom C Huygensom P Fermatom R Boylom J Gre-
8
goryjem M Riccijem J Wallisom in H Oldenburgom Tako je lahko
izražal svoje ideje je pa zaradi drugega dela malo objavljal H Olden-
burg je bil tista leta tajnik Kraljevega društva v Londonu katerega član
je de Sluse postal leta 1674 Oldenburg je de Slusove zamisli posredoval
neposredno angleškim učenjakom in drugim članom kot je bilo takrat v
navadi Do njih je prišlo skoraj 80 pisem izmenjanih med letoma 1667
in 1676 De Slusovo korespondenco je leta 1884 objavil matematik C Le
Paige iz Liegravegea S tem je de Slusovo znanstveno delo postalo širše znano
De Sluse je umrl 19 marca 1685 v Liegravegu ravno tistega leta ko se je začel
spor med Newtonom in Leibnizem glede tega kdo je avtor infinitezimal-
nega računa Pokopali so ga v kolegijski cerkvi v Viseacuteju v bližini njegovih
staršev Družinski mavzolej je obstajal do 14 avgusta 1914 ko je nemška
vojska požgala kolegijsko cerkev sv Martina in sv Hadelina V kolegijski
cerkvi v Viseacuteju je ob levem stranskem oltarju spominska plošča ki govori
o slavnem prebivalcu Viseacuteja iz 17 stoletja kanoniku Reneacuteju-Franccediloisu
de Slusu Mesti Viseacute in Liegravege sta mu posvetili ulici Rue de Sluse mesto
Bassenge zahodno od Viseacuteja pa pot Chemin de Sluse
Matematične teme ki jih je obravnaval de Sluse so bile povezane z
znanstvenimi interesi tistega časa Po eni strani so bili geometrijski prob-
lemi ki segajo v čas Evklida in Arhimeda oživljeni v drugi polovici 16
in prvi polovici 17 stoletja Zlasti Cavalieri je razvil teorijo nedeljivih
količin ki je imela določen vpliv na razvoj matematične analize Po drugi
strani pa se je približno v istem času ko se je začela razvijati algebra po
zaslugi F Viegraveta ki je uvedel algebrski jezik in predvsem R Descartesa
in njegovega dela rdquoLa Geacuteomeacutetrierdquo zelo povečalo zanimanje za geometrijo
Združitev teh dveh tokov je de Slusa in številne druge matematike njego-
vega časa pripeljal do tega da so se začeli zanimati za geometrijske last-
9
Slika 3 Mesolabum druga izdaja 1668
nosti analitično definiranih krivulj predvsem algebrskih pa tudi spiral in
cikloid ki so bile takrat modne teme Pomembni problemi v tistih časih so
bili kako definirati in konstruirati tangento na krivuljo kako izračunati
ploščino lika ki ga ograjuje taka krivulja kako izračunati njeno dolžino
in kako izračunati prostornino in površino teles ki niso omejena samo z
ravninskimi ali sferičnimi liki G W Leibniz je pri de Slusu in Descartesu
našel marsikatero idejo pri razvoju infinitezimalnega računa in analitične
geometrije Ni čudno da je Huygens v nekem v pismu H Oldenburgu
dal o de Slusu naslednje mnenje rdquoSlusius eotilde geometrarum quos novi
omnium doctissimus candidissimusquerdquo rdquoSluse je od geometrov kar jih
poznam najbolj učen in jasenrdquo
10
Prav tako so bili v de Slusovem času še vedno aktualni problemi reše-
vanja algebrskih enačb tretje in četrte stopnje čeprav so to znali že itali-
janski matematiki S del Ferro N Tartaglia G Cardano in L Ferrari Še
vedno pa so bili živi antični problemi kvadrature kroga trisekcije kota in
podvojitve kocke s katerimi so se ubadali grški geometri Kot je znano gre
pri problemu podvojitve kocke za konstrukcijo kocke s prostornino ki je
dvakrat večja od prostornine dane kocke Problema se ne da rešiti z neoz-
načenim ravnilom in šestilom kot si je zamislil Platon pač pa s pomočjo
nekaterih algebrskih krivulj ali pa s posebnimi mehanskimi napravami
De Sluse je obravnaval geometrijsko reševanje algebrskih enačb tretje in
četrte stopnje z uporabo presečišč stožnic Descartes je pokazal da se
problem lahko rešuje z iskanjem presečišč parabole in krožnice de Sluse
pa je pokazal da lahko parabolo nadomestimo s katerokoli stožnico kar
se je izkazalo za veliko bolj prilagodljivo in elegantno kot Descartesova
metoda Svojo metodo je pod velikim vplivom Viegravetovih in drugih del
razvil v delu rdquoMesolabumrdquo (1659) še posebej v njegovi drugi izdaji (1668)
Celotna naslova izdaj nista popolnoma identična (glej [11 12]) Razvil je
tudi postopek za iskanje subtangente in s tem tangente katerekoli alge-
brske krivulje in to brez uporabe odvoda funkcije kakršnega poznamo
dandanes
Na sliki 3 opazimo v letnici izdaje de Slusovega Mesolabuma tudi malo
drugačen zapis rimskih številk za 500 in 1000 Navajeni smo ju pisati v
obliki D in M Namesto D so svoj čas pisali I in narobe obrnjen C torej
I C kar je skoraj D Za M pa CI C Število I Cje druga polovica od CI C
kar je v soglasju z dejstvom da je 500 polovica od 1000 Razlog za tako
pisavo sega v čas starih Grkov Etruščanov in Rimljanov Baje so nekoč
uporabljali za 1000 črko Φ iz katere se je razvila oznaka CI C iz te pa M
11
Eratostenov mesolabum
Beseda rdquomesolabumrdquo je zelo stara Izvira iz grške besede μεσολάβος (morda
tudi iz μεσολάβον) ki je v antiki pomenila posebno geometrijsko orodje
za določevanje prve in druge srednje geometrijske sorazmernice Beseda
izvira iz grške μέσος kar pomeni rdquosrednjirdquo in λαμβάνω kar pomeni rdquovza-
mem primem zgrabim pograbim popadem ulovimrdquo Glagolska os-
nova je λαβ- je tista iz katere izhajata nedoločnik λαβεῖν in aorist λάβον
Mesolabum je potemtakem tisto s čimer lovimo sredino lovilec sredin
Podobna beseda je rdquoastrolabrdquo starodavna astronomska naprava za določe-
vanje položaja zvezd v grščini ἀστρολάβον ὄργανον
V grških besedilih je glagol λαμβάνω eden od osnovnih in kot tak zelo
pomemben V taki ali drugačni obliki je zato zelo pogost Za primer
navedimo iz Odiseje (XXIV 397ndash399 prevod A Sovregrave )
ὣς ἄρ ἔφη Δολίος δv ἰθὺς κίε χεῖρε πετάσσας
ἀμφοτέρας ᾿Οδυσεῦς δὲ λαβὼν κύσε χεῖρv ἐπὶ καρπῷ
καί μιν φωνήσας ἔπεα πτερόεντα προσηύδα
To je dejal Približa se Dolios rok mu razpetih
prime gospoda v zapestju roko mu ginjen poljubi
z glasom obrne se k njemu pa reče krilate besede
V latinščini imenujejo mesolabum tudi rdquomesolabiumrdquo kar se čudno
sliši ker beseda rdquolabiumrdquo pomeni ustnica Iz besede rdquolabiumrdquo so izvedene
še druge V fonetiki imamo glasove ki jih sooblikujemo z ustnicami in se
zato imenujejo rdquolabialirdquo na primer rdquoprdquo in rdquobrdquo
12
Mesolabum je iznašel Eratosten iz Kirene (276ndash195 pnš) grško ᾿Ερα-
τοσθένης ὁ Κυρηναῖος ki je deloval v Aleksandriji kot vodja tamkajšnje
slavne knjižnice ki je bila del Muzejona hiše učenosti in umetnosti grško
Μουσεῖον τῆς Αλεξανδρείας in je najbolj znan po svojem situ za iskanje
praštevil in po izračunu velikosti Zemlje Pri mesolabumu gre za to kako
mehansko določiti prvo in drugo srednjo geometrijsko sorazmernico x in
y daljic a in b kjer je 0 lt a lt b Srednji geometrijski sorazmernici x in y
morata zadoščati relacijiax=xy=y
b (1)
Če označimo te tri kvociente z λ in jih med seboj zmnožimo dobimo
axsdotxysdoty
b=ab= λ3
To pomeni da je
λ = 3
radicab x =
3radica2b y =
3radicab2
Pri tem velja relacija a lt x lt y lt b ki je posledica relacije
a3 = a2a lt a2b = aab lt abb = ab2 lt bb2 = b3
iz katere sledi po kubičnem korenjenju a lt3radica2b lt
3radicab2 lt b Zato lahko
rečemo da sta x in y sredini daljic a in b saj sta med a in b
Za b = 2a je x = a 3radic
2 in y = a 3radic
4 To pomeni da se s tem posreči pod-
vojiti in početveriti kocko Kocka z robom x ima namreč dvakrat kocka z
robom y štirikrat večjo prostornino kot kocka z robom a in dvakrat večjo
kot kocka z robom x ker je x3 = 2a3 in y3 = 4a3 = 2x3 Prvi ki je prišel na
idejo poiskati srednji geometrijski sorazmernici x in y za a in b = 2a je bil
v 5 stoletju pnš živeči Hipokrat z otoka Hios v grščini ῾Ιπποκράτης ὁ
Χῖος Skušal je rešiti problema podvojitve kocke in kvadrature kroga
13
Eratosten je bil nad svojim izumom mesolabuma tako navdušen da je
en primerek baje daroval v nekemu templju sicer pa ga je posvetil kralju
Ptolemaju III (284ndash222 pnš) imenovanemu tudi Ptolemaj Dobrotnik
grško Πτολεμαῖος Εὐεργρέτης
Slika 4 Osnovni elementi Eratostenovega mesolabuma
Sedaj je čas da opišemo Eratostenov mesolabum Njegov je bil sicer
izdelan iz lesa slonove kosti in kovin mi pa si ga bomo ogledali she-
matično geometrijsko uporabljajoč pravokotnike trikotnike daljice pre-
mice točke razmerja in sorazmerja
V ravnini so postavljeni skladni pravokotniki A1B1C1D1 A2B2C2D2 in
A3B3C3D4 s stranicami A1B1 A2B2 in A3B3 na skupni premici na kateri
ostanejo ves čas v nadaljevanju opisanega postopka Vse stranice pra-
vokotnikov pravokotne na to premico imajo dolžino b Dolžina pre-
ostalih stranic ni pomembna Na stranici B3C3 izberemo točko T tako
da je ∣B3T ∣ = a Prvi pravokotnik je negiben preostala dva pa lahko dr-
sita po premici tako da se tretji lahko skrije pod drugega drugi pa pod
prvega S tem lahko gibljiva dva postavimo tako da dobimo daljice dolžin
14
x in y ki skupaj z a in b zadoščajo relaciji (1) Pravokotniki so razdeljeni z
med seboj vzporednimi diagonalami na pravokotne trikotnike (slika 4)
Slika 5 Premik pravokotnikov Eratostenovega mesolabuma
Ko premikamo drugi pravokotnik pod prvega njegova diagonala B2D2
prej ali slej seka stranico B1C1 negibnega pravokotnika denimo v točki
E Ko pa premikamo tretji pravokotnik pod drugega njegova diagonala
B3D3 prej ali slej seka stranico B2C2 drugega pravokotnika denimo v točki
F Cilj premikanja pravokotnikov sem in tja je doseči kolinearnost točk
D1EF in T Kot bomo kmalu videli takrat x = ∣B2F∣ in y = ∣B1E∣ ustrezata
relaciji (1)
Kolinearnost točk D1EF in T dosežemo s postopkom ki mu učeno
rečemo rdquoiteracijardquo Malo premaknemo drugi pravokotnik nato malo tret-
jega pa zopet drugega itd dokler s svojo spretnostjo ne dosežemo zado-
voljive natančnosti V natančni legi označimo u = ∣B1D1∣ v = ∣B2E∣ in
w = ∣B3F∣ Te daljice so med seboj vzporedne (slika 6) in zaradi podob-
nosti trikotnikov A1B1D1 B1B2E in B2B3F ter trikotnikov B1ED1 B2FE in
15
Slika 6 Končna lega pravokotnikov Eratostenovega mesolabuma
B3T F dobimo sorazmerja
bu=y
v=xwy
u=xv=aw
iz katerih sledijo relacije
xw = av xv = yw yv = ux bv = uy
Iz prve druge tretje in četrte dobimo po vrsti
ax=wvwv=xyxy=vuvu=y
b
Sedaj je nedvomno razvidno da je res
ax=xy=y
b
Tako lahko z Eratostenovo napravo najdemo prvo in drugo srednjo ge-
ometrijsko sorazmernico daljic a in b Podobno bi lahko našli tudi več
srednjih geometrijskih sorazmernic daljic a in b
16
So pa matematiki že davno odkrili da se da srednji geometrijski so-
razmernici najti tudi s parabolama Iz relacije (1) namreč sledita preprosti
zvezi
x2 = ay y2 = bx
V prvi spoznamo enačbo parabole ki ima za simetralo ordinatno os gorišče
v točki F(0a4) in vodnico y = minusa4 v drugi pa enačbo parabole ki ima za
simetralo absciso os gorišče v točki G(b40) in vodnico x = minusb4 (slika 7)
Slika 7 Do srednjih geometrijskih sorazmernic s parabolama
Paraboli se sekata v točkah O(00) in A(3radica2b
3radicab2) Konstrukcijo je
odkril Menajhmos grško Μέναιχμος ki je živel v 4 stoletju pnš Prvi je
vpeljal stožnice kot preseke stožca z ravnino Teorijo stožnic je temeljito
obdelal Apolonij iz Perge (265ndash170 pnš) grško Απολλώνιος ὁ Περγαῖος
Njegove knjige so matematiki uporabljali še vse do Newtonovih časov
Prav tako pridemo do srednjih geometrijskih sorazmernic če poiščemo
presečišči parabole x2 = ay z goriščem F(0a4) in vodnico y = minusa4 ter
krožnice x2 + y2 = bx + ay ki ima središče v točki S(b2a2) in premer
17
Slika 8 Do srednjih geometrijskih sorazmernic s parabolo in krožnico
d =radica2 +b2 Parabola in krožnica se sekata v točkah O in A(
3radica2b
3radicab2)
(slika 8) kar potrdi preprost račun Opisano konstrukcijo je obvladal Reneacute
Descartes Menajhmos in Descartes sta pokazala da se z njunima kon-
strukcijama da rešiti problem podvojitve kocke Za b je treba v opisanih
postopkih vzeti 2a Pripomnimo še da je bila starogrška matematika
pretežno matematika razmerij in sorazmerij in tako je bilo še celo vrsto
stoletij Srednjo geometrijsko sorazmernico x daljic dolžin a in b tako
da velja a ∶ x = x ∶ b iz česar sledi x =radicab se da konstruirati z neoz-
načenim ravnilom in šestilom Spomnimo se na višinski izrek v pravokot-
nem trikotniku ki je pravzaprav posledica podobnosti dveh trikotnikov
na katera višina na hipotenuzo razdeli pravokotni trikotnik
Pri dveh srednjih geometrijskih sorazmernicah x in y pa se kot smo
videli pojavi kubični koren ki pa z omenjenima geometrijskima orodjema
ni konstruktibilen To so matematiki dokazali šele v 19 stoletju Do takrat
so problem skušali rešiti na druge načine in pri tem odkrili nove krivulje
tako da njihov trud le ni bil popolnoma zaman Geometrijski objekt bo za
18
nas rdquokonstruktibilenrdquo če se ga da konstruirati z neoznačenim ravnilom in
šestilom
Drugo de Slusovo delo
De Sluse še vedno velja za izjemno učenega človeka nadarjenega za mate-
matiko izumiteljstvo in posploševanje Njegovo ime je še danes povezano
z njegovimi konhoidami in perlami De Slusova konhoida (slika 9) ki ima
implicitno obliko
(xminus c)(x2 +y2)minus2cx2 = 0
je precej natančno obravnavana v članku [9]
Slika 9 Slusova konhoida
Reneacute de Sluse se ni ukvarjal le z matematiko ampak tudi z astronomijo
fiziko naravoslovjem in seveda teologijo Pogosto se je pritoževal nad
omejitvami ki so mu jih nalagale njegove verske in upravne funkcije
Ni veliko eksperimentiral ker za to ni imel posebnega veselja pa tudi
ne tehničnih možnosti Je pa predlagal drugim zlasti Huygensu da naj
naredijo tak ali drugačen eksperiment Z zanimanjem je bral prepovedane
19
knjige N Kopernika G Galileja in J Keplerja ter kritiziral prizadevanja za
obnovitev starih konceptov Pisal je že o ekscentričnosti v zvezi s Soncem
Zdi se da je za svoje izračune uporabljal oba sistema heliocentričnega
in geocentričnega Rad je opazoval zvezdnato nebo Tako v kemiji kot
drugje se je znašel na razpotju Prebral je modne knjige o alkimiji in
celo ponovil poskus sublimacije antimona v belo barvo vendar je bila nje-
gova razlaga odločno korpuskularna saj je uporabljal Boylove zamisli o
strukturi tekočega in trdnega stanja V podporo temu je izvajal poskuse
zamrzovanja različnih raztopin in študiral sestavo lojevca V medicinski
kemiji se je zanimal za zdravilne vode in jih tudi analiziral
V fiziki sta ga je posebej zanimala merjenje temperature in praktična
termometrija Če ne upoštevamo odkritij E Torricellija in B Pascala o
vplivu atmosferskega tlaka na zračni termometer je de Sluse leta 1664
izumil svoj termometer z voščeno kroglico pomešano s peskom ki se je
gibala v stekleni cevi zaprti na dnu napolnjeni s slano vodo tako da je
bila kroglica bolj ali manj potopljena v sredini cevi kar je opisal v pismih
Huygensu Kroglica je označevala vsako spremembo v zraku iz toplejšega
na hladnejše ko se je spuščala ali dvigala Huygens je odgovoril da je
njegov termometer prepočasen vendar je zanesljivejši od drugih istovrst-
nih termometrov ker je manj podvržen vplivu atmosferskega tlaka Žal
ni poznal florentinskega termometra ko je svojim dopisnikom vključno s
Huygensom in Oldenburgom povedal o svojem izumu Florentinski ter-
mometri so pomenili odločilen korak naprej pri merjenju temperature
Bili so prvi ki so omogočali natančne meritve Pred iznajdbo v Firencah
okoli leta 1650 so bili stari modeli zelo približni določali so ali je pred
nami nekaj hladnega ali vročega ne da bi lahko odčitali ali ocenili tem-
peraturo Razlika je v tem da je steklena cev zaprta tako da je vpliv tlaka
20
odpravljen Uporabljali so se predvsem petdesetstopinjski termometri
Taki termometri so večinoma služili za določanje nihanja temperature zra-
ka v zaprtih prostorih in na prostem Oblikovanje termometra je takrat
pomenilo tudi določitev njegove merilne lestvice vendar še brez Celzijevih
ali Fahrenheitovih stopinj Pri tem so bile stopinje enakomerno razpore-
jene med dvema skrajnostma in sicer med nivojem najhladnejše tekočine
pozimi (nizka točka) in nivojem najbolj vroče tekočine poleti (visoka točka)
Zaradi teh zelo relativnih vrednosti je primerjava meritev med dvema ter-
mometroma nezanesljiva Ob upoštevanju pripomb jo je večkrat spreme-
nil in jo ponovno predložil Oldenburgu do leta 1669 ko je R Boyle izrazil
negativno mnenje glede topnosti voska kroglic v slani tekočini Po tem da-
tumu termometer ni bil nikoli več omenjen De Sluse je zboljšal različne
instrumente ure številčnice barometre Ker ga je motilo prerekanje med
raziskovalci glede avtorstva odkritij je po Oldenburgovi smrti leta 1677
končal svojo znanstveno dejavnost
Šele v 18 stoletju so razvijali temperaturne merilne lestvice C Re-
naldini (1694) O C Roslashmer (1702) G Fahrenheit (1717) Reneacute-Antoine
F de Reacuteaumur (1730) in A Celsius (1741) Enota kelvin (K ndash v čast lordu
Kelvinu 1824-1907) osnovna enota mednarodnega sistema enot za tem-
peraturo je bila uvedena šele leta 1954
De Sluse je bil tudi zgodovinar Napisal je knjigo o smrti sv Lam-
berta škofa v Tongresu ki je bil ubit na kraju kamor je sv Hubert njegov
naslednik prenesel sedež svoje škofije Kraj se je kasneje razvil v Liegravege
Druga zgodovinska študija se nanaša na slavnega maastrichtskega škofa
sv Servacija Med de Slusovimi neobjavljenimi rokopisi je tudi zgodovina
Koumllna Pripomnimo še da je sv Hubert zavetnik lovcev matematikov
optikov in kovinarjev
21
O širini de Sluzovih interesov priča raznolikost tem ki so zajete na
več sto straneh njegovega dela neobjavljenih rokopisov ki jih zdaj hrani
Narodna knjižnica Bibliotheque Nationale v Parizu Čeprav se je ukvarjal
predvsem z matematiko njegovi rokopisi obravnavajo tudi astronomijo
fiziko in naravoslovje
De Slusove perle
Po de Slusu so po zaslugi B Pascala (več o tem v [4]) imenovane tudi
krivulje rdquode Slusove perlerdquo to so krivulje ki se v pravokotnem kartezi-
čnem koordinatnem sistemu Oxy izražajo z enačbo
ym = kxn(aminusx)p (2)
Pri tem so eksponenti mn in p naravna števila a in k pa pozitivni kon-
stanti Glede na parnost eksponentovmn in p formalno razlikujemo osem
možnosti od katerih imamo opravka s perlami le v primeru ko je m sodo
število s pravimi perlami pa v primeru ko je m sodo število n in p pa lihi
števili (slika 10) Skupno tem krivuljam so simetričnost glede na os x in
presečišča s to osjo pri x = 0 in x = a De Sluse je po svoje brez uporabe
odvoda izračunal da njegove perle dosegajo lokalne ekstreme največji
odstop od osi x med 0 in a za x = na(n+p)
V teh primerih je ploščina S lika ki ga ograjuje zanka perle enaka
S = 2k1mint
a
0xnm(aminusx)pmdx = 2k1ma(m+n+p)mint
1
0tnm(1minus t)pmdt
Integracijsko spremenljivko x smo zamenjali z novo spremenljivko t prek
relacije x = at da smo dobili obliko ki jo lahko izrazimo z Eulerjevima
22
Slika 10 Primeri de Slusovih perl
funkcijama B in Γ
S = 2k1ma(m+n+p)mB(nm+1pm+1) =
= 2k1ma(m+n+p)mΓ(nm+1)Γ(pm+1)
Γ((n+p)m+2)=
= 2k1ma(m+n+p)mnp
(m+n+p)(n+p)
Γ(nm)Γ(pm)
Γ((n+p)m)
Pri rotaciji okoli osi x ta lik v prostoru opiše telo s prostornino
V =πk2mint
a
0x2nm(aminusx)2pmdx =πk2ma(m+2n+2p)m
int
1
0t2nm(1minust)2pmdt
23
Slika 11 Zasuk de Slusove perle za m = 2n = 3p = 1k = 001 okoli osi x
Integracijsko spremenljivko x smo tudi to pot zamenjali z novo spremenljivko
t prek relacije x = at da smo dobili obliko ki jo lahko izrazimo z Eulerje-
vima funkcijama B in Γ
V =πk2ma(m+2n+2p)mB(2nm+12pm+1) =
=πk2ma(m+2n+2p)mΓ(2nm+1)Γ(2pm+1)Γ((2n+2p)m+2)
=
= 2πk2ma(m+2n+2p)m np
(m+2n+2p)(n+p)Γ(2nm)Γ(2pm)
Γ((2n+2p)m)
Poseben primer de Slusove perle
Natančneje bomo obravnavali de Slusovo perlo samo primer za m = n = 2
p = 1 in k = 1a to se pravi krivuljo K ki ima implicitno enačbo ay2 =
x2(a minus x) To pa zato ker se posamezne točke te krivulje da preprosto
konstruirati z osnovnim geometrijskim orodjem
24
Geometrijska konstrukcija in analitična obravnava
Do posameznih točk T krivulje K pridemo s preprosto geometrijsko kon-
strukcijo (slika 12) V pravokotnem kartezičnem koordinatnem sistemu
Oxy načrtamo premico x = a kjer je a pozitivna konstanta Skozi koordi-
natno izhodišče O potegnemo premico p ki ima enačbo y = tx in preseka
premico x = a v točki A(ata) Parameter t smerni koeficient premice p s
katerim je sorazmerna ordinata točkeA bomo kasneje spreminjali V točki
A na p postavimo pravokotnico q ki seka os x v točki B V B načrtamo na
q pravokotnico r ki seka premico x = a v točki C nazadnje pa skozi C še
pravokotnico s na r Presečišče premic p in s naj bo točka T (xy) Sedaj
bomo izrazili njeni koordinati x in y s parametrom t
Slika 12 Konstrukcija točke T de Slusove perle K
Premica q ima enačbo y = minus(x minus a)t + at in preseka os x v točki B(a +
at20) Premica r ima enačbo y = t(x minus aminus at2) in preseka premico x = a v
točki C(aminusat3) premica s pa enačbo y = minus(xminus a)t minus at3 Koordinati točke
T sta rešitvi sistema enačb
y = tx y = minusxminusat
minusat3
25
Po krajšem računu dobimo
x(t) = a(1minus t2) y(t) = at(1minus t2) (3)
To sta parametrični enačbi krivulje K Ko spreminjamo t po vseh realnih
vrednostih oziroma ko A drsi po premici x = a točka T (xy) opiše krivuljo
K (slika 13) z zanko ki spominja na perlo
Če si mislimo da je parameter t čas enačbi (3) predstavljata sestav-
ljeno gibanje točkaste mase v dveh med seboj pravokotnih smereh v koor-
dinatni ravnini v smeri osi x po pravilu prve enačbe v smeri osi y pa po
pravilu druge enačbe Tirnica takega gibanja je krivulja K Podoben le da
bolj preprost primer imamo tudi pri gibanju točkaste mase pri poševnem
metu
Slika 13 De Slusova perla K
Ko se t spreminja od zelo velikih negativnih vrednosti potuje T po
loku v drugem kvadrantu navzdol in doseže za t = minus1 prvič točko O Za
minus1 le t le 0 opiše lok v četrtem kvadrantu odO do temenaD(a0) za 0 le t le 1
opiše lok v prvem kvadrantu od D do točke O ki jo doseže drugič za t = 1
za t gt 1 pa se spusti po loku v tretjem kvadrantu navzdol
26
Če upoštevamo (3) dobimo
x2(t)(aminusx(t)) = a2(1minus t2)2 sdotat2 = a(at(1minus t2))2 = ay2(t)
To pomeni da je ay2 = x2(aminusx) implicitna enačba krivulje K in da je K al-
gebrska krivulja tretje stopnje Krivulja K je simetrična glede na os x Za
točke ki so zelo blizu koordinatnemu izhodiščuO je člen x3 zanemarljivo
majhen v primerjavi s kvadratnima členoma zato je tam enačba krivulje
K približno ay2 = ax2 oziroma (y minusx)(y +x) = 0 Ta enačba razpade na dve
y = x in y = minusx V točki O ima krivulja tangenti y = x in y = minusx ki se sekata
pravokotno V točki D je tangenta na krivuljo premica x = a Krivulja ima
na zanki dve glede na os x simetrično ležeči lokalno ekstremni točki v ka-
terih je tangenta vzporedna z osjo x To sta točki Mplusmn(2a3plusmn2aradic
39) De
Sluse jih je na svojevrsten način pravilno izračunal čeprav je bilo v nje-
govem času računanje z odvodi še v zametkih Da bi pravilnost ekstrem-
nih točk preverili brez odvoda uporabimo kvadrat ekstremne ordinate ki
je y2M = 4a227 in zapišimo izraz
ay2M minusx2(aminusx) = 4a327minusax2 +x3 = (xminus2a3)2(x+a3)
ki je za 0 lt x lt a nenegativen in enak 0 za x = 2a3 To pomeni da je
tedaj x2(a minus x) le 4a327 in največja ordinata na zanki krivulje je 2aradic
39
najmanjša pa minus2aradic
39 oboje pri x = 2a3 (slika 14)
Z uporabo odvoda gre vse veliko hitreje Ordinata y doseže ekstrem
takrat kot ay2 Zato je vseeno če poiščemo ekstrem enostavnejše funkcije
g(x) = x2(a minus x) = ax2 minus x3 Potreben pogoj za to je g prime(x) = 2ax minus 3x2 = 0
Dobimo stacionarni točki x1 = 0 in x2 = 2a3 Uporabimo še g primeprime(x) = 2aminus6x
Ker je g primeprime(x1) = 2a gt 0 in g primeprime(x2) = minus2a lt 0 ima funkcija g v točki x1 lokalni
minimum ki je enak 0 v točki x2 pa lokalni maksimum ki je enak 4a327
27
Slika 14 Lokalna ekstrema na de Slusovi perli K
Ekstremna točka na zanki kjer je tangenta vzporedna z osjo x je očitno
le v x2 kvadrat ekstremne ordinate je tedaj g(x2)a = 4a227 = 12a281
Ekstremni ordinati sta torej plusmn2aradic
39 pri abscisi 2a3
Abscise 2a3 ni težko geometrijsko konstruirati prav tako tudi ne or-
dinate 2aradic
39 ki je 29 razdalje ∣PminusP+∣ = aradic
3 kjer sta Pminus in P+ presečišči
krožnih lokov s središčema v točkahO inD in polmerom ∣OD ∣ To pomeni
da sta točki Pminus in P+ konstruktibilni
Če bi načrtali celotna krajša krožna loka med Pminus in P+ bi dobili med
njima lečast lik ki so mu nekoč rekli rdquovesica piscisrdquo kar dobesedno pomeni
rdquoribji mehurrdquo Lik je bil zelo znan v srednjeveški sakralni umetnosti
Čeprav v de Slusovem času še niso poznali odvoda funkcije v današn-
jem smislu so že vedeli zahvaljujoč Fermatu da ima funkcija v točki
lokalnega ekstrema vodoravno tangento
28
Spremljajoča parabola
Nastajanje krivulje K spremljajo še nekatere druge bolj ali manj znane
krivulje Najprej si oglejmo kaj dobimo če točko O pravokotno projici-
ramo na premice r in spreminjamo parameter t Dobljena projekcija naj
bo R (slika 15)
V prispevku se pogosto sklicujemo na povezavo med smernima koe-
ficientoma premice in pravokotnice nanjo Koeficienta sta si inverzna in
nasprotna Zato zlahka napišemo enačbo premice r in pravokotnice skozi
O nanjo
y = t(xminusaminusat2) y = minusxt
Njuno presečišče R ima koordinati
x(t) = at2 y(t) = minusat
Z izločitvijo parametra t dobimo y2 = ax kar pomeni da točke R pri spre-
minjanju točkeA po premici x = a opišejo parabolo rdquospremljajočo parabolordquo
ki ima gorišče v točki F(a40) in vodnico v z enačbo x = minusa4
Slika 15 De Slusova perla K in spremljajoča parabola
29
Ogrinjače
Ko drsi točka A po premici x = a premice s ogrinjajo neko krivuljo Ks
Premice s so v točki T krivulje K pravokotne na premice skozi O in T
Njeno enačbo dobimo po standardnem postopku Enačba premic s je
F(xyt) = y +xminusat
+at3 = 0
To je enoparametrična družina premic ki ogrinjajo krivuljo Ks imeno-
vano rdquoogrinjačardquo te družine (slika 16) V vsaki točki ogrinjače se jo dotika
ena premica v različnih točkah različne premice družine Enačbo njihove
ogrinjače v implicitni obliki dobimo tako da iz sistema enačb
Slika 16 De Slusova perla K in ogrinjače Ks Kq Kr
F(xyt) = 0partFpartt
(xyt) = 0
izločimo parameter t Iz enačbe
partFpartt
(xyt) = minus(xminusa)t2 +3at2 = 0
30
dobimo najprej xminusa = 3at4 kar vstavimo v prvo enačbo v sistemu in imamo
y = minus4at3 Dobili smo ogrinjačo v parametrični obliki
x(t) = a(1+3t4) y(t) = minus4at3
Izločimo t in enačba iskane ogrinjače Ks v implicitni obliki je pred nami
27y4 = 256a(xminusa)3
Ker je y dobljene krivulje sorazmeren s potenco (x minus a)34 lahko rečemo
da je ogrinjača premic s četrtkubična parabola
Podobno poiščemo ogrinjačo Kq premic q
F(xyt) = yt +xminusaminusat2 = 0partFpartt
(xyt) = y minus2at = 0
Ogrinjača v parametrični obliki je to pot
x(t) = a(1minus t2) y(t) = 2at
Z izločitvijo parametra t dobimo njeno enačbo v implicitni obliki
y2 = minus4a(xminusa)
Dobljena krivulja Kq je parabola z vodnico x = 2a in goriščem v točki O
(slika 16)
Nazadnje po enakem postopku kot doslej poiščemo še ogrinjačo Kr
premic r
F(xyt) = y minus tx+at +at3 = 0partFpartt
(xyt) = minusx+a+3at2 = 0
Ogrinjača v parametrični obliki je potem
x(t) = a(1+3t2) y(t) = 2at3
31
Z izločitvijo parametra t dobimo njeno enačbo še v implicitni obliki
27ay2 = 4(xminusa)3
Dobljena krivulja Kr je polkubična ali Neilova parabola z ostjo v točki
D(a0) kjer ima vodoravno tangento (slika 16) Krivuljo Ks smo up-
ravičeno imenovali četrtkubična parabola Slednja ima v točki D(a0)
navpično tangento
Edinole premice p od tistih ki sodelujejo v konstrukciji točk krivulje
K nimajo ogrinjače Vse premice p namreč potekajo skozi koordinatno
izhodišče O in očitno ne ogrinjajo nobene krivulje
Nožiščne krivulje
Novo krivuljoHprime dobimo če na tangente dane krivuljeH pravokotno pro-
jiciramo izbrano točko Φ Vse projekcije P nožišča točke Φ na tangentah
krivuljeH sestavljajo krivuljoHprime ki jo imenujemo rdquonožiščnardquo ali rdquopedalna
krivuljardquo krivulje H glede na točko Φ
Beseda rdquopedalenrdquo izhaja iz latinske rdquopedalisrdquo kar pomeni rdquonoženrdquo Os-
novna beseda je rdquopesrdquo v rodilniku ednine rdquopedisrdquo kar pomeni rdquonogardquo Od
tod izvirajo tudi besede rdquopedalordquo rdquopedalarrdquo in rdquopedalinrdquo
Poiščimo nekaj nožiščnih krivulj glede na koordinatno izhodišče O
Najprej za krivuljo K ki je poseben primer de Slusove perle Za odvod
v točki T isinK ki ustreza parametru t dobimo
dy
dx(x) =
y
x(t) =
3t2 minus12t
Enačbi tangente v T in pravokotnice skozi O nanjo pa se glasita
y minusat(1minus t2) =3t2 minus1
2t(xminusa(1minus t2)) y =
2t1minus3t2
x
32
Sekata se v točki P s koordinatama
x(t) =a(t2 minus1)2(1minus3t2)
9t4 minus2t2 +1 y(t) =
2at(t2 minus1)2
9t4 minus2t2 +1 (4)
S tem smo našli parametrični enačbi krivulje Kprime (slika 17) Do implicitne
enačbe je dolga pot prek rezultante dveh polinomov spremenljivke t od
katerih je prvi druge drugi pa pete stopnje Najprej opazimo da je v (4)
yx = 2t(1minus 3t2) kar lahko zapišemo kot p(t) = 3yt2 + 2xt minus y = 0 drugo
enačbo pa zapišemo v obliki q(t) = 2at5 minus 9yt4 minus 4at3 + 2yt2 + 2at minus y = 0
Zaradi enostavnosti smo pisali x in y brez argumenta t Da izločimo pa-
rameter t je treba zapisati rdquorezultantordquo R(p(t)q(t)) polinomov p(t) in
q(t) in jo izenačiti z 0 (glej [14])
R(p(t)q(t)) =
RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR
2a minus9y minus4a 2y 2a minusy 0
0 2a minus9y minus4a 2y 2a minusy
3y 2x minusy 0 0 0 0
0 3y 2x minusy 0 0 0
0 0 3y 2x minusy 0 0
0 0 0 3y 2x minusy 0
0 0 0 0 3y 2x minusy
RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR
= 0
Zadnji stolpec je deljiv z y Ker y = 0 ni del iskane nožiščne krivulje pre-
ostane ko izračunamo determinanto in jo okrajšamo z y in preuredimo
27y2(x2 +y2)2 +4ax(x2 minus9y2)(x2 +y2)minus4a2(x2 minusy2)2 = 0
Rezultat je torej algebrska krivulja šeste stopnje Krivulja je simetrična
glede na abscisno os točka O pa je njena posebna točka Za zelo majhne
x in y prevlada zadnji člen kar pomeni da sta premici y = x in y = minusx v O
tangenti na krivuljo
33
Slika 17 Nožiščna krivulja Kprime krivulje K glede na koordinatno izhodišče
Zanka krivulje Kprime nekoliko spominja na srčnico ali kardioido ki jo
opisujejo točke krožnice ki se brez drsenja kotali po enako veliki krožnici
Krivulja Kprime ima še neomejeni del ki se razteza po drugem in tretjem kvad-
rantu Poglejmo kako potuje točka po krivulji v parametrizaciji (4) ko
parameter t teče po številski premici Za t lt minus1 poteka krivulja po tretjem
kvadrantu pri čemer x(t)rarr minusinfin in y(t)rarr minusinfin ko t rarr minusinfin Pri t = minus1 točka
doseže O v obliki osti ki ima za tangento premico y = x Za minus1 lt t lt 0
potuje točka po četrtem kvadrantu doseže točko D pri t = 0 za 0 lt t lt 1
potuje naprej po prvem kvadrantu in pri t = 1 spet doseže O kjer ima
ost s tangento y = minusx nato nadaljuje pot po drugem kvadrantu pri čemer
x(t)rarr minusinfin in y(t)rarrinfin ko trarrinfin
Nožiščna krivulja malo prej obravnavane krivulje Ks glede na točko O
ni nič drugega kot krivulja K Premice s so namreč tangente na Ks nožišča
točke O na njej pa so točke krivulje K Lahko pa to preverimo z računom
34
tako kot smo poiskali nožiščno krivuljo Kprime za K glede na točko O
Za odvod v poljubni točki na Ks ki ustreza parametru t dobimo
dy
dx(x) =
y
x(t) = minus
1t
Enačbi tangente v tej točki in pravokotnice skozi O nanjo pa se glasita
y +4at3 = minus1t(xminusa(1+3t4)) y = tx
Sekata se v točki s koordinatama
x(t) = a(1minus t2) y(t) = at(1minus t2)
To sta ravno parametrični enačbi krivulje K tako da velja Kprimes =K
Podobno ugotovimo tudi da je premica x = a nožiščna krivulja za para-
bolo Kq Premica x = a je tangenta te parabole v temenu V splošnem je
temenska tangenta parabole kar njena nožiščna krivulja glede na gorišče
Ugotovili smo torej da je nožiščna krivulja krivulje Kr spremljajoča para-
bola krivulje K
Ekstremne točke nožiščne krivulje Kprime
Ekstremne točke na zanki krivulje Kprime dobimo iz odvodov
x(t) =2at(1minus t2)(3t2 +1)(9t4 +2t2 minus3)
(9t4 minus2t2 +1)2
y(t) =2a(t2 minus1)(3t2 +1)(3t4 +6t2 minus1)
(9t4 minus2t2 +1)2
Za t = 0 doseže v točki D(a0) abscisa svojo največjo vrednost Za t = plusmn1
poteka krivulja skozi točko O kjer sama sebe preseka pod pravim kotom
ker je yprime(0) = (yx)(plusmn1) = ∓1
35
Najmanjšo absciso na zanki ima krivulja Kprime v točki ki jo določa para-
meter t za katerega velja pogoj 9t4 +2t2 minus3 = 0 To je bikvadratna enačba
katere realni rešitvi sta tplusmn = plusmnradic
2radic
7minus13 ustrezni točki na krivulji pa
izračunamo z enačbama (4) in dobimo
Xplusmn(a(17minus7radic
7)27plusmnaradic
74radic
7minus17227)
Ekstremni ordinati na zanki ima krivulja takrat za tisto vrednost para-
metra t za katerega velja pogoj 3t4 + 6t2 minus 1 = 0 Realni rešitvi te bi-
kvadratne enačbe sta tplusmn = plusmn(3radic
2minusradic
6) 4radic
36 ustrezni točki na krivulji pa
Yplusmn(a(3minusradic
3)3plusmna 4radic123)
Ker v koordinatah ekstremnih točk nastopajo poleg osnovnih aritmetičnih
operacij le kvadratni in bikvadratni (četrti) koreni so te točke konstruk-
tibilne
Cisoida
Spoznali smo enega od načinov pridobivanja novih ravninskih krivulj iz
danih to je z nožišči izbrane točke na tangentah dane krivulje Krivulji
s tem priredimo nožiščno krivuljo glede na izbrano točko Drug tak pre-
prost način kako iz znanih krivulj dobimo nove je cisoidni način Kako
pa ta poteka
Denimo da sta znani krivulji K1 in K2 ter točka O ki ležijo v isti
ravnini Pri tem sta K1 in K2 taki krivulji da vsaka premica p skozi O
ki seka K1 v neki točki T1 seka tudi K2 recimo v točki T2 (slika 18) Za
vsak T1 označimo na p točko T tako da veljaETHOT =
ETHETHT1T2 Ko T1 potuje po
K1 T opiše krivuljo C ki jo imenujemo cisoida krivulj K1 in K2 glede na
točko O Definicije take cisoide se nekoliko razlikujejo od vira do vira
36
Slika 18 Krivulja C je cisoida krivulj K1 in K2 glede na točko O
Dioklova cisoida s katero rešimo problem podvojitve kocke je cisoida
krožnice x2 + y2 = ax in premice x = a glede na koordinatno izhodišče O
Več o cisoidah in njihovi uporabi je napisanega na primer v [8]
Krivulja K je povezana tudi s polkubično ali semikubno ali Neilovo
parabolo poimenovano po Williamu Neilu (1637ndash1680) Parametrični
enačbi (3) lahko zapišemo v vektorski obliki v standardni bazi kot razliko
kolinearnih vektorjev
r(t) = (x(t)y(t)) =ETHOT = (a(1minus t2)at(1minus t2)) = (aat)minus (at2at3)
Vektor r1(t) = (aat) = (a0)+at(01) je enačba premice x = a v parametrični
obliki vektor r2(t) = (at2at3) pa polkubične parabole ki ima enačbo ay2 =
x3 in ost v točkiO Parameter t geometrijsko pomeni tangens naklonskega
kota premice OA (slika 13)
Premica y = tx poteka skozi koordinatno izhodišče O in seka premico
x = a v točkiA(aat) zato jeETHOA = r1 Ista premica seka polkubično parabolo
P ki ima enačbo ay2 = x3 v točki P (at2at3) tako da jeETHOP = r2 S tem je
ETHPA =
ETHOAminus
ETHOP = r1minus r2 = r To pomeni da je r =
ETHOT =
ETHOAminus
ETHOP Potemtakem
je krivulja K cisoida polkubične parabole P z enačbo ay2 = x3 in premice
37
Slika 19 De Slusova perla K kot cisoidna krivulja
x = a glede na točko O (slika 19)
Neilova parabola in ločna dolžina
Neilova ali polkubična parabola ay2 = x3 je bila v zgodovini matematike
pomembna kot ena prvih krivulj za katero so znali izračunati ločno dolžino
Prav prvi je to znal John Wallis (1616ndash1703) leta 1657
Denimo da nas zanima ločna dolžina `(b) te krivulje nad intervalom
[0b] (slika 20) Znano je da lahko uporabimo formulo za ločno dolžino
krivulje ki je dana v eksplicitni obliki
`(b) = intb
0
radic
1+yprime2dx
Pri tem je y = f (x) enačba krivulje in yprime = f prime(x) V našem primeru je y =
38
Slika 20 Neilova ali polkubična parabola
f (x) = plusmnradicx3a Kratek račun nam da yprime2 = 9x(4a) in
`(b) = intb
0
radic
1+9x4adx
Z uvedbo nove integracijske spremenljivke u z relacijo u2 = 1 + 9x(4a)
dobimo
`(b) =8a9 int
c
1u2du =
8a27
(c3 minus1)
pri čemer je c =radic
1+9b(4a)
Leibnizeva izohrona je krivulja po kateri se je leta 1687 vprašal G W
Leibniz Poiskati je treba v navpični ravnini krivuljo po kateri se brez
trenja giblje točkasta masa ki je podvržena konstantnemu težnostnemu
polju tako da je navpična komponenta njene hitrosti ves čas konstantna
Nalogo je prvi rešil C Huygens nizozemski astronom fizik in matema-
tik znan tudi po odkritju Saturnovega satelita Titana in znamenitih Sat-
urnovih obročev ter po izdelavi prve ure na nihalo kar je bilo za tiste čase
velik napredek v merjenju točnega časa
39
Slika 21 Leibnizeva izohrona
Izhodišče O postavimo v najvišjo točko krivulje (slika 21) V tej točki
je horizontalna hitrost premikajoče se mase m enaka 0 Naj bo v0 njegova
navpična hitrost navzdol Os y je vodoravna os x pa usmerjena navz-
dol Potencialno energijo mase računamo nad izbranim nivojem spodaj V
skladu z načelom ohranitve mehanske energije v času t in času 0 potem
velja12mv2(t)+mg(hminusx(t)) =
12mv2
0 +mgh
Pri tem je g težni pospešek Po poenostavitvi dobimo v2(t) = 2gx(t)+ v20
Vektor hitrosti ima v vsakem trenutku med seboj pravokotni komponenti
v(t) = (x(t) y(t)) za t = 0 pa v(0) = (v00) Upoštevamo da je ∣v(t)∣2 =
v2(t) = x2(t) + y2(t) in da je x(t) = v0 pa imamo sistem diferencialnih
enačb
x(t) = v0 y(t) =radic
2gx(t)
ki ga rešimo pri začetnih pogojih x(0) = y(0) = 0 in dobimo
x(t) = v0t y(t) =23
radic2gv0t3
40
Koordinati točk na dobljeni krivulji zadoščajo enačbi
ay2 = x3 a =9v2
0
8g
Pri dani konstanti a je v0 = (23)radic
2ag Iskana krivulja je torej Neilova
parabola Ime izohrona je dobila zato ker točkasta masa po vertikali
v enakih časih prepotuje enake razdalje V grščini beseda ἴσος pomeni
rdquoenakrdquo χρόνος pa rdquočasrdquo
Dolžina ` zanke krivulje K nas pripelje do zapletenega eliptičnega in-
tegrala za katerega zapišimo približno vrednost
` = 2aint1
0
radic9t4 minus2t2 +1dt ≐ 271559186a
Pač pa je dolžina loka ` četrtkubične parabole Ks ogrinjače premic s bolj
prijazna Za dolžino loka od točke D ki ustreza parametru t = 0 do točke
ki ustreza parametru t = α dobimo
` = 12aintα
0t2
radic1+ t2dt =
3a2
(α(1+2α2)radic
1+α2 minus ln(α +radic
1+α2))
Prav tako dolžina loka ` navadne parabole Kq ogrinjače premic q ne
dela težav Za dolžino loka od točke D ki ustreza parametru t = 0 do
točke ki ustreza parametru t = α dobimo
` = 2aintα
0
radic1+ t2dt = a(α
radic1+α2 + ln(α +
radic1+α2))
Za spremljajočo parabolo dobimo prav tako enostaven rezultat za ločno
dolžino od točke O do točke ki ustreza parametru t = α
` = intα
0
radic1+4t2dt =
a4(2α
radic1+4α2 + ln(2α +
radic1+4α2))
Nazadnje zapišimo še ločno dolžino polkubične parabole Kr
` = 6aintα
0tradic
1+ t2dt = 2a((1+α2)radic
1+α2 minus1)
41
Pri vseh zgornjih primerih je parameter t strmina premice p v prvotni
konstrukciji krivulje K
Ploščine in prostornine
Ploščina S lika ki ga omejuje zanka krivulje K je
S =2radica int
a
0xradicaminusxdx
Z uvedbo nove integracijske spremenljivke t z relacijo aminusx = t2 je
S =4radica int
radica
0t2(aminus t2)dt =
4radica int
radica
0(at2 minus t4)dt =
8a2
15
Lahko pa jo izrazimo tudi s splošno formulo ki smo jo izpeljali na začetku
razdelka S to formulo lahko izrazimo še prostornino V telesa ki ga pri
rotaciji okoli osi x opiše lik
V =πa int
a
0x2(aminusx)dx =
πa3
12
To je ravno polovica prostornine krogle s premerom a
Pač pa je izraz za ploščino S prime lika ki ga omejuje zanka krivulje Kprime bolj
zapleten izraz Uporabimo parametrični enačbi (4) in dobimo
S prime = int1
0(x(t)y(t)minus x(t)y(t))dt = 2a2
int
1
0
(1minus t2)3(1+2t2 minus3t4)(9t4 minus2t2 +1)2 dt
Če se zanesemo na računalniško računanje določenih integralov potem je
S prime =2a2
729(3(43πminus28)+52
radic2ln(1+
radic2))
kar je približno S prime ≐ 1059206796a2 Do enakega rezultata pridemo z
navidez enostavnejšo formulo
S prime = 2inta
0y(x)dx
42
toda drugim težjim integralom
S prime = 2int0
1y(t)x(t)dt = minus8a2
int
1
0
t2(1minus t2)3(3t2 +1)(9t4 +2t2 minus3)(9t4 minus2t2 +1)3 dt
Zakaj smo integrirali po parametru t od 1 do 0 Zato ker abscisa x narašča
od 0 do a ko t pada od 1 do 0 Ordinata y pa je pri tem nenegativna (glej
izraza (4))
Tudi izraz za prostornino V prime telesa ki ga pri rotaciji okoli osi x opiše
lik omejen s Kprime je navidez enostaven
V prime =πinta
0y2(x)dx
toda s parametrom t je zapleten a eksaktno izračunljiv
V prime =πint0
1y2(t)x(t)dt = 8πint
1
0
t3(t2 minus1)5(3t2 +1))(9t4 +2t2 minus3)(9t4 minus2t2 +1)4 dt
Za rezultat dobimo
V prime =2πa3
19683(431π
radic2+369+744ln2)
kar je približno V prime ≐ 08936800975a3
Naj bo s tem računanja integralov dovolj V nadaljevanju se bomo
posvetili nekaterim lažjim problemom
Tangenta
Pri krivuljah v koordinatnem sistemu Oxy so pomembni štirje dotikalni
elementi za posamezne točke T odsek na tangenti ∣TA∣ odsek na normali
∣T B∣ subtangenta ∣AT prime∣ in subnormala ∣BT prime∣ (slika 23) Izražajo se takole
∣TA∣ = ∣y
yprime
radic
1+yprime2∣ ∣T B∣ = ∣yradic
1+yprime2∣ ∣T primeA∣ = ∣y
yprime∣ ∣T primeB∣ = ∣yyprime∣
43
Slika 22 Ploščini likov omejenih z zankama krivulj K in Kprime
Pri tem pomeni yprime = f prime(x) če je enačba krivulje y = f (x) Točka T prime je pra-
vokotna projekcija točke T na abscisno os A je presečišče tangente na
krivuljo v točki T z osjo x B pa presečišče normale z osjo x Dotikalni
elementi so posebej definirani tudi za krivulje v polarnih koordinatah
Slika 23 Dotikalni elementi krivulje
De Sluse je za algebrsko krivuljo f (xy) = 0 po svoje našel izraz za sub-
tangento ts to je pravokotno projekcijo odseka na tangenti
44
na os x V današnji pisavi se subtangenta izraža v obliki
ts = minusy
partfparty (xy)
partfpartx (xy)
Za krivuljo K je f (xy) = ay2 minusx2(aminusx) = 0 in
ts =2x(xminusa)3xminus2a
Lotimo se še konstrukcije tangente t in normale n naK v točki T0(x0y0) ne
O ki enolično določa točko A(aay0x0) kot presečišče premice p skozi O
in T0 s premico x = a Skozi A povlecimo vzporednico nprime z normalo n na K
v točki T0 Normala ima smerni koeficient kn = tsy0 oziroma
kn =
partfparty (x0y0)
partfpartx (x0y0)
=2ay0
x0(3x0 minus2a)
Premica nprime ima enačbo
y minusay0
x0=
2ay0
x0(3x0 minus2a)(xminusx0)
in preseka abscisno os v točki T1(x10) za katero po krajšem računu do-
bimo x1 = 2a minus 3x02 Točko T1 in premico nprime zlahka geometrijsko kon-
struiramo Iskana tangenta t v točki T0 je pravokotna na nprime normala n pa
vzporedna z nprime (slika 24)
Inverzija krivulje K na krožnici
Po navadi za ravninske krivulje pogledamo še njihove inverzne slike na
krožnici Inverzija ali zrcaljenje na krožnici x2 + y2 = r2 je ravninska pres-
likava ι definirana s predpisom
ι ∶ (xy)↦ (r2x
x2 +y2 r2y
x2 +y2)
45
Slika 24 Tangenta in normala na krivuljo K
S spreminjanjem polmera r krožnice dobimo med seboj podobne krivulje
Če zrcalimo na krožnici x2 + y2 = a2 krivuljo K ki ima implicitno enačbo
(2) dobimo krivuljo Klowast ki ima enačbo
y4 = minusx3(aminusx)
ki je formalno oblike (2) zam = 4n = 3p = 1 in k = minus1 Dobljena krivuljaKlowast
je simetrična glede na os x ima dve veji abscisa na njej doseže ekstremni
vrednosti v točkah O(00) in D(a0) Ima pa kot bomo videli tudi dve
asimptoti y = xminusa4 in y = minusx+a4 (slika 25)
Krivuljo Klowast se da lepo parametrizirati s parametrom τ če v njeno
enačbo y4 = minusx3(aminusx) vstavimo y = τx Dobimo
x(τ) =a
1minusτ4 y(τ) =aτ
1minusτ4
To sta parametrični enačbi krivulje Klowast
Ko τ uarr minus1 x(τ)rarr minusinfin in y(τ)rarr +infin ko τ darr minus1 x(τ)rarr +infin in y(τ)rarr minusinfin
ko τ uarr +1 x(τ)rarr +infin in y(τ)rarr +infin ko τ darr +1 x(τ)rarr minusinfin in y(τ)rarr minusinfin
46
Slika 25 Inverzna slika Klowast krivulje K
Konstanti k in n poševne asimptote y = kx + n krivulje Klowast dobimo s
formulama
k = limxrarrplusmninfin
y
x n = lim
xrarrplusmninfin(y minus kx)
V našem primeru je
k = limxrarrplusmninfin
y
x= limτrarrplusmn1
τ = plusmn1 n = a limτrarrplusmn1
τ ∓11minusτ4 = ∓
a4
Poševni asimptoti sta torej premici y = plusmn(xminusa4)
Obnašanje krivulje v okolici točke D utemeljimo če zapišemo impli-
citno obliko krivulje nekoliko drugače
y4 = (xminusa)x3 = (xminusa)(a+(xminusa))3 = a3(xminusa)+3a2(xminusa)2+3a(xminusa)3+(xminusa)4
47
Slika 26 Krivulja Klowast in približka v okolici točk O in D
Za x ki je zelo blizu a prevlada na desni prvi člen tako da je y4 asymp a3(xminusa)
Razlika xminusa se torej obnaša približno tako kot bikvadrat ordinate y
V okolici točke O kjer so abscise negativne iz istega razloga velja y4 asymp
minusax3 zato se tam krivulja obnaša približno tako kot četrtkubična parabola
(slika 26)
Inverzija krivulje Kprime na krožnici
Na krožnici x2 + y2 = a2 zrcalimo še krivuljo Kprime nožiščno krivuljo krivulje
K glede na točko O Dobimo dvodelno krivuljo Kprimelowast kakršno vidimo na
sliki 27
Enačba nove krivulje v implicitni obliki je
4(x2 minusy2)2 minus4ax(x2 minus9y2)minus27a2y2 = 0
48
Slika 27 Inverzna slika Kprimelowast krivulje Kprime
Krivulja je algebrska četrte stopnje je simetrična glede na os x ima ost
z vodoravno tangento v točki O skozi točko D pa poteka v blagem loku
Natančneje ugotovimo približni potek krivulje v okolici teh dveh točk če
v zgornji enačbi obdržimo prevladujoče člene V okolici točke O kjer so
abscise negativne je ay2 asymp minus4x327 torej približno tako kot polkubična
parabola V okolici točke D(a0) je y2 asymp minus4a(x minus a) kar pomeni da se
krivulja obnaša približno tako kot parabola
Pritisnjeni krožnici na K
Pritisnjeni krožnici v točki O na krivuljo K sta inverzni sliki asimptot
krivulje Klowast na krožnici x2 + y2 = a2 Preprost račun pokaže da se asimp-
toti krivulje Klowast z inverzijo ι preslikata v krožnici x2 + y2 plusmn4ay minus4ax = 0 ki
imata središči v točkah Splusmn(2aplusmn2a) in polmer 2aradic
2 Sekata se pavokotno
v točkah O in M(4a0) Inverzija ι namreč ohranja kote (slika 28)
49
Slika 28 Pritisnjeni krožnici na krivuljo K v točki O
Ukrivljenost κ(t) krivulje K v točki ki ustreza parametru t brez težav
izračunamo iz njenih parametričnih enačb (3)
κ(t) =2(3t2 +1)
a(1minus2t2 +9t4)32
V posebnem primeru je v točki O to se pravi za t = plusmn1 ukrivljenost enaka
κ(plusmn1) = 1(2aradic
2) zato sta v O polmera pritisnjenih krožnic 1κ(plusmn1) =
2aradic
2 kar se seveda ujema z rezultatom dobljenim z inverzijo na krožnici
Toksoida
Videli smo da je inverzna slika krivulje K krivulja Klowast ki ima enačbo y4 =
minusx3(aminusx) ki je formalno oblike (2) zam = 4n = 3p = 1 in k = minus1 Prav tako
je krivulja ay2 = minusx2(aminus x) ki jo dobimo iz enačbe ay2 = x2(aminus x) krivulje
K če zamenjamo aminus x z x minus a formalno oblike (2) za m = 2n = 2p = 1 in
50
k = minus1a Krivuljo označimo jo s T ki ima enačbo
ay2 = x2(xminusa)
je nemški amaterski matematik samouk in izumitelj Diedrich (tudi Diede-
rich) Uhlhorn (1764ndash1837) imenoval rdquotoksoidardquo V svojem delu [13] obrav-
nava več krivulj in za nekatere tudi opiše mehanske naprave s katerimi
se jih da risati pa tudi njihovo uporabo pri reševanje enačb Beseda rdquotok-
soidardquo izvira iz dveh grških τόξον kar pomeni rdquolokrdquo (kot orožje) pa tudi
rdquopuščicardquo in εἶδος kar med drugim pomeni rdquooblika podobardquo D Uhlhorn
je imenoval krivuljo v nemščini rdquoBogenlinierdquo ker nemški samostalnik rdquoBo-
genrdquo pomeni prav tako rdquolokrdquo Iz besede τόξον smo dobili tudi besede ki
so povezane s strupi kajti bojne puščice so bile često zastrupljene
Slika 29 Toksoida
Toksoida ima tudi izolirano točkoO(00) saj njeni koordinati zadoščata
implicitni enačbi
Iz implicitne enačbe toksoide dobimo z zamenjavo y = tx njeni parametri-
čni enačbi
x(t) = a(1+ t2) y(t) = at(1+ t2) (5)
ki pa ne vključujeta izolirane točke O
51
Toksoida je algebrska krivulja tretje stopnje simetrična glede na os x
ki jo preseka za t = 0 v točki D(a0) kjer ima navpično tangento Krivulja
na prvi pogled ni nič posebnega a že D Uhlhorn je pokazal kako se kon-
struira njene posamezne točke in kako se z njo podvoji kocko
Slika 30 Konstrukcija točk toksoide
Do točke T na toksoidi pridemo takole V koordinatnem sistemu Oxy
za pozitiven a določimo točko D(a0) in skoznjo konstruiramo pravokot-
nico na os x torej premico x = a (slika 30) Na tej premici izberemo točko
A ki jo bomo spreminjali da bomo dobili krivuljo Skozi O in A nato
načrtamo premico p v A pa nanjo pravokotnico q ki seka abscisno os v
točki B V B postavimo na abscisno os pravokotnico r ki preseka premico
p v točki T Ko A potuje po premici x = a točka T opiše toksoido T brez
izolirane točke O
Da res dobimo toksoido T je treba samo zapisati enačbi y = tx premice
p in y = minus(x minus a)t + at premice q ter točki A(aat) in B(a(1 + t2)0) ter
T (a(1+t2)at(1+t2)) Koordinati točke T pa res dasta paramatrični enačbi
52
toksoide
Slika 31 Konstrukcija srednjih geometrijskih sorazmernic s toksoido
Iz podobnih trikotnikov ODA OAB in OBT na sliki 30 sledi relacija
∣OD ∣
∣OA∣=∣OA∣
∣OB∣=
∣OB∣∣OT ∣
kar pomeni da sta ∣OA∣ in ∣OB∣ srednji geometrijski sorazmernici daljic
∣OD ∣ = a in ∣OT ∣ = b Zato lahko izrazimo ∣OA∣ =3radica2b in ∣OB∣ =
3radicab2 na isti
način kot pri (3)
Če imamo že načrtano toksoido T potem srednji geometrijski sorazmer-
nici za a in b gt a dobimo tako da poiščemo presečišče T krožnice s sredi-
ščem v O skozi točko C(b0) in na zgoraj opisan način poiščemo premice
pq in r ter točki A in B (slika 31) Za b = 2a na ta način rešimo problem
podvojitve kocke ∣OA∣ = a 3radic
2
Ukrivljenost κ(t) toksoide T v točki ki ustreza parametru t brez težav
53
izračunamo iz njenih parametričnih enačb (5)
κ(t) =2(3t2 minus1)
a(1+10t2 +9t4)32
Opazimo da ukrivljenost menja predznak pri t = plusmn1radic
3 kar nam da točki
Pplusmn(4a3plusmn4aradic
39) v katerih ima T prevoja s tangentama s smernima koe-
ficientoma plusmnradic
3 Tangenti oklepata z osjo x kota plusmnπ3 Pritisnjena krožnica
v točki D ki ustreza t = 0 ima za polmer 1∣κ(0)∣ = a2 in središče v točki
S(3a20) (slika 32)
Slika 32 Prevoja toksoide T in pritisnjena krožnica v točki D
Prevoja sta konstruktibilna pri čemer si lahko pomagamo z vesico pis-
cis nad daljico OD Njeni točki Vplusmn sta narazen za aradic
3 premici skozi O
in Vplusmn pa določata smeri tangent v prevojih Prav tako je konstruktibilna
točka S V okolici točk D in Pplusmn je ujemanje toksoide s pritisnjeno krožnico
v D in tangentama v prevojih Pplusmn zelo dobro
54
Enačba toksoide T v polarnih koordinatah in ϕ je
(ϕ) =a
cos3ϕ
kar sledi iz njene implicitne oblike
a(x2 +y2) = x3
Pri tem je treba le upoštevati zvezi x2 +y2 = 2 in x = cosϕ
Polarna oblika je zelo primerna za študij inverzije na krožnici s središčem
v točki O in polmerom R Če je namreč lowast polarni polmer invertirane
krivulje mora veljati relacija
(ϕ)lowast(ϕ) =R2
Če izberemo R = a dobimo za inverzno sliko toksoide T krivuljo (slika 33)
T lowast ki ima nasledno enačbo v polarnih koordinatah
lowast(ϕ) = acos3ϕ
Slika 33 Inverzna slika T lowast toksoide T
55
Iz polarne oblike krivulje T lowast hitro izpeljemo še njeno implicitno enačbo
(x2 +y2)2 = ax3
Torej je T lowast algebrska krivulja četrte stopnje
Ploščino S lika ki ga ograjuje krivulja T lowast izračunamo po znani for-
muli
S = 2 sdot12 int
π2
0lowast2(ϕ)dϕ = a2
int
π2
0cos6ϕdϕ = a2 sdot
56
sdotπ2=
5πa2
32
Krivulja T lowast je simetrična glede na os x v točkah O in D ima navpični
tangenti največji odklon od osi x pa doseže v točkah Yplusmn(9a16plusmn3aradic
316)
kjer ima vodoravni tangenti in sicer pri polarnih kotih plusmnπ6
De Slusove pomnoževalke hiperkock
Podvojitev kocke je kot vemo klasični grški geometrijski problem ki se ga
ne da rešiti evklidsko to je samo z neoznačenim ravnilom in šestilom kar
so dokazali šele v 19 stoletju Problem zahteva določiti rob kocke ki ima
prostornino enako dvakratniku prostornine dane kocke To pomeni da
je treba za dano daljico a konstruirati tako daljico b za katero je b = a 3radic
2
Problem podvojitve kocke so Grki znali rešiti na več načinov Eden od njih
je možen s posebno ravninsko krivuljo z Dioklovo cisoido (več na primer
v [7])
Povsem smiselno se je vprašati kako bi pomnožili s faktorjem s gt 0
poljubno r-razsežno hiperkocko z robom a Njena prostornina je ar zato
je b = a rradics rob hiperkocke katere prostornina je s-kratnik prostornine
hiperkocke z robom a Dva primera sta trivialna Za r = 1 imamo daljico
56
njena rdquoprostorninardquo je kar njena dolžina a za r = 2 pa kvadrat čigar rdquopros-
torninardquo je kar njegova ploščina a2 Za r = 3 imamo opraviti z običajno
kocko z običajno prostornino a3 V prvih dveh primerih množenje s fak-
torjem s ni problematično saj s problemom lahko geometrijsko rešimo s
podobnimi trikotniki in z višinskim izrekom v pravokotnem trikotniku
Za r ge 4 si r-razsežno hiperkocko teže predstavljamo ker je ne moremo
realizirati z običajno geometrijo To pa ni ovira pri pomnožitvi take hiper-
kocke s številom s ker moramo znati samo njen rob a geometrijsko pom-
nožiti s številom rradics kar pa lahko naredimo v običajni ravnini V mate-
matični analizi je r-razsežna hiperkocka z robom a na primer kar r-kratni
kartezični produkt intervala [minusa2a2] s samim seboj to je množica
[minusa2a2]r = (x1x2 xr) isinRr ∶ ∣x1∣ le a2 ∣x2∣ le a2 ∣xr ∣ le a2
Oglejmo si de Slusove perle (2) z eksponenti mn =mminus 1 in p = 1 fak-
torjem k = 1 ter a gt 0 pri čemer je m sodo število to se pravi krivulje z
implicitno enačbo
ym = xmminus1(aminusx) (6)
oziroma xm + ym = axmminus1 Pri danem m označimo ustrezno krivuljo s Hm
Med njimi je tudi stara znanka x2 + y2 = ax krožnica s polmerom a2
in središčem v točki S(a20) Skupne vsem krivuljam so točke O(00)
Cplusmn(a2plusmna2) D(a0) ter navpični tangenti v O in D Krivulje Hm so za-
ključene in simetrične glede na os x in se dajo lepo parametrizirati z y = tx
Za vsako dobimo parametrično enačbo
x(t) =a
1+ tm y(t) =
at1+ tm
(7)
Najbolj se taka krivulja oddalji od abscisne osi za t = 1 mradicmminus1 v točkah
Yplusmn(a(mminus1)mplusmnam mradic
(mminus1)mminus1) Za t = 0 dobimo točko D za ∣t∣rarrinfin pa
57
se krivulja bliža točki O Slika 34 kaže nekaj primerov
Slika 34 Nekaj krivulj Hm
Naj bo s poljubno pozitivno število in A(0as) točka na osi y Premica
skozi A in D preseka krivuljo Hm v točkah D(a0) in B(x0y0) za katero
potrebujemo samo razmerje y0x0 Na sliki 35 je izbran eksponent m = 4
Premica skozi A in D ima enačbo xa+sya = 1 iz katere izrazimo aminusx = sy
in vstavimo v enačbo (6) Dobimo ym = ysxmminus1 Ker iščemo točko B s
pozitivno ordinato lahko z y krajšamo in dobimo y0x0 =mminus1radics
Premica skozi O in B ima enačbo y = y0xx0 in preseka premico x = a
v točki C(aay0x0) oziroma C(aa mminus1radics) Zato je ∣DC∣ = ∣OD ∣ mminus1
radics) V
primeru m = 4 in s = 2 je ∣DC∣ = ∣OD ∣3radic
2) kar pomeni da se nam je pos-
rečilo podvojiti trirazsežno kocko Za s = 3 kocko potrojimo za s = 4
početverimo itd Še več zam = 6 in s = 2 podvojimo 5-razsežno hiperkocko
58
za s = 3 jo potrojimo za s = 4 početverimo itd
Slika 35 Krivulja H4 in pomnožitev roba trirazsežne kocke
Lihih m nam ni treba posebej obravnavati ker krivulje Hm ne bi bile
prave de Slusove perle Poleg tega bi tedaj bil mminus 1 sodo število denimo
m minus 1 = 2αq z naravnim α in lihim q Korenjenje se potem da izvesti z
α-kratnim kvadratnim korenjenjem in enim q-tim korenjenjem s krivuljo
Hq+1 kakor smo zgoraj opisali
Drug način za pomnožitev hiperkock poteka s cisoidami Cm krivuljHm
in premice x = a Pri parametru t premica y = tx preseka premico x = a
v točki C(aat) točka B pa ima tedaj koordinati dani z parametričnima
enačbama (7) S koordinatami točk B in C imamo takoj
ETHBC = (aminus
a1+ tm
at minusat
1+ tm) = (
atm
1+ tmatm+1
1+ tm)
59
Slika 36 Nekaj krivulj Cm
Da bo točka T na cisoidi Cm mora veljati zvezaETHOT =
ETHBC Potemtakem ima
Cm parametrični enačbi
x(t) =atm
1+ tm y(t) =
atm+1
1+ tm (8)
Ker je t = yx dobimo še implicitno enačbo krivulje Cm
xm+1 = ym(aminusx) (9)
oziroma x(xm+ym) = aym Krivulje so za sodem definirane nad intervalom
60
[0a) so simetrične glede na os x imajo za asimptoto premico x = a in
potekajo skozi koordinatno izhodišče O in točki Cplusmn(a2plusmna2) Asimptoti
se krivulja bliža ko ∣t∣ rarr infin V točki O pri t = 0 imajo ost z vodoravno
tangento Za m = 2 dobimo staro znanko Dioklovo cisoido
Slika 37 Krivulja C4 in pomnožitev roba 5-razsežne hiperkocke
Izberimo sedaj na ordinatni osi točko A(0as) pri čemer je s pozi-
tivno število in vzemimo premico skozi točki A in D (slika 37) Ta ima
enačbo xa + y(as) = 1 iz katere izrazimo a minus x = ys Premica preseka
cisoido Cm v točki M(x0y0) s pozitivno ordinato Iz enačb premice skozi
A in D in (9) dobimo y0x0 = m+1radics Premica skozi točki O in M ima
enačbo y = y0xx0 in preseka premico x = a v točki E(aa m+1radics) Torej velja
61
zveza ∣DE∣ = ∣OD ∣ m+1radics kar pomeni da smo našli rob (m + 1)-razsežne
hiperkocke ki ima za prostornino s-kratnik prostornine dane (m + 1)-
razsežne hiperkocke
Naj bo Sm ploščina lika ki ga omejuje krivulja Hm in Qm ploščina
neomejenega lika ki ga omejuje krivulja Cm z asimptoto Ni ju težko
izraziti
Pm =a2(mminus1)πm2 sin π
m Qm =
a2(m+1)πm2 sin π
m
Nadalje naj bo Vm prostornina telesa ki nastane z rotacijo krivulje Hm
okoli osi x Wm pa prostornina neomejenega telesa ki nastane z rotacijo
krivulje Cm okoli osi x Prav tako ju ni težko izraziti
Vm =2a3(mminus1)(mminus2)π2
3m3 sin 2πm
Wm =2a3(m+1)(m+2)π2
3m3 sin 2πm
Ploščine in prostornine so poleg drugega zanimale že matematike v
17 stoletju zlasti C Huygensa Izračunajmo prostornino telesa Um ki
nastane z rotacijo lika med cisoido in njeno asimptoto okoli te asimptote
(slika 38) Uporabili bomo sodobne zapise in Eulerjevi funkciji B in Γ ki
ju C Huygens še ni mogel poznati Presek nastalega telesa na višini y je
krog s polmerom aminusx in ploščino π(aminusx)2 Upoštevamo še simetrijo lika
glede na os x uporabimo parametrično obliko (8) in nastavimo integral
Um = 2πintinfin
0(aminusx(t))2y(t)dt = 2πa3
int
infin
0
tm(tm +m+1)(1+ tm)4 dt
ki ga lahko izrazimo v obliki
Um = 2πa3(I2 + (mminus1)I3 minusmI4)
pri čemer je
Ik = intinfin
0
dt
(1+ tm)k
62
ki ima za m ge 2 in k ge 1 končno vrednost S substitucijo u = 1(1 + tm)
dobimo
Ik =1m int
1
0ukminus1minus1m(1minusu)1mminus1du =
1m
B(kminus1m1m) =Γ(k minus1m)Γ(1m)
mΓ(k)
Na koncu je rezultat zelo preprost
Um =2π2a3(m2 minus1)
3m3 sin πm
Prve tri prostornine so
U2 =π2a3
4 U4 =
5radic
2π2a3
32 U6 =
35π2a3
162
Slika 38 Telo nastalo z zasukom lika med krivuljo C2 in njeno asimptoto
okoli te asimptote
Izračunajmo prostornino telesa Um ki nastane z rotacijo lika med cisoido
in njeno asimptoto okoli osi y (slika 39) Presek nastalega telesa na višini y
63
je krožni kolobar z notranjim polmerom x in zunanjim polmerom a ki ima
ploščino π(a2minusx2) Upoštevamo še simetrijo lika glede na os x uporabimo
parametrično obliko (8) in nastavimo integral
Um = 2πintinfin
0(a2 minusx2(t))y(t)dt = 2πa3
int
infin
0
tm(tm +m+1)(2tm +1)(1+ tm)4 dt
ki ga lahko izrazimo z zgoraj vpeljanimi integrali Ik v obliki
Um = 2πa3(2I1 + (2mminus3)I2 minus (3mminus1)I3 +mI4)
Na koncu dobimo za rezultat
Um =2π2a3(m+1)(2m+1)
3m3 sin πm
Prve tri prostornine so
U2 =5π2a3
4 U4 =
15radic
2π2a3
32 U6 =
91π2a3
162
V 17 stoletju so se zanimali tudi za težišča homogenih likov in teles
Lik ki ga omejuje krivulja Hm ima težišče na abscisni osi oddaljen za xT
od osi y Da bi lahko poiskali xT moramo najprej izračunati za ta lik
moment
Mm = 2inta
0xy dx = 2int
0
infinx(t)y(t)xdt = 2a3mint
infin
0
tm
(1+ tm)4 dt
Izrazimo z integrali Ik in dobimo
Mm = 2a3m(I3 minus I4) =πa3(mminus1)(2mminus1)
3m3 sin πm
Abscisa težišča lika je potem kvocient momenta Mm in ploščine Sm
xT =(2mminus1)a
3m
64
Slika 39 Telo nastalo z zasukom lika med krivuljo C2 in njeno asimptoto
okoli osi y
Lik omejen s krivuljo Cm ima težišče na abscisni osi oddaljen za xC
od osi y Da bi poiskali xC uporabimo kar PaposndashGuldinovo pravilo za
prostornino vrtenine
2πxC sdotQm = Um
kjer je Qm ploščina lika ki ga rotiramo okoli osi y Rezultat je proti vsem
pričakovanjem zelo preprost
xC =(2m+1)a
3m
Poznoantični matematik Papos iz Aleksandrije (290ndash350) v grščini Πάπ-
πος ὁ Αλεξανδρεύς v latinščini Pappus je pomemben ker je zbral prak-
tično vse dotakratno matematično znanje Grkov in dodal še marsikaj svo-
65
jega Njegovo najpomembnejše delo je rdquoZbirkardquo v grščini Συναγωγή Uk-
varjal se je tudi s klasičnimi grškimi geometrijskimi problemi
Jezuit Paul Guldin (1577ndash1643) je bil švicarski matematik in astronom
profesor matematike na Dunaju in v Gradcu Pred tem je študiral v Rimu
Skupaj s Paposom je znan
po pravilih za izračun prostornine rotacijskega telesa in površine rotacij-
ske ploskve
Slika 40 Telo nastalo z zasukom lika ki ga omejuje H4 okoli osi y
ProstorninaXm vrtenine ki nastane z rotacijo lika omejenega s krivuljo
Hm okoli osi y je po PaposndashGuldinovem pravilu za prostornino enaka
Xm = 2πxT sdot Pm = 2π(2mminus1)a
3msdota2(mminus1)πm2 sin π
m=
2π2a3(2mminus1)(mminus1)3m3 sin π
m
Slika 40 kaže vrtenino za primer krivulje H4 Podobne slike bi dobili tudi
za druge Hm
Če isti lik rotiramo okoli premice x = a tangente na krivuljo Hm v
točki D dobimo vrtenino s prostornino Ym ki jo izračunamo prav tako
66
po PaposndashGuldinovem pravilu za prostornino in dobimo
Ym = 2π(aminusxT ) sdot Pm = 2π(m+1)a
3msdota2(mminus1)πm2 sin π
m=
2π2a3(m2 minus1)3m3 sin π
m
Opazimo da je prostornina Ym enaka prostornini Um telesa ki nastane
z rotacijo lika med krivuljo Cm in njeno asimptoto okoli te asimptote
Dokler ni bil razvit infinitezimalni račun kakršnega poznamo danes
so računali ploščine težišča prostornine in površine za vsak primer pose-
bej Veliko so se v 17 stoletju pa tudi že prej znani matematiki ukvarjali
s cikloido na primer N Kuzanski M Mersenne G Galilei G P de Rober-
val C Wren G Cardano B Pascal I Newton G W Leibniz C Huygens
je neko njeno lastnost uporabil pri izdelavi ure na nihalo
Evdoksova kampila
Oglejmo si naslednjo konstrukcijo točk krivulje V točki D(a0) pri čemer
je a gt 0 postavimo pravokotnico p na abscisno os Na p izberemo točko
A ki jo bomo kasneje premikali po tej premici Skozi O in A načrtamo
premico q in skozi A krožnico s središčem v koordinatnem izhodišču O
Krožnica preseka abscisno os v točkah B in Bprime ki sta simetrični glede na
točko O V B in Bprime konstruiramo pravokotnici r in rprime na os x ki presekata
p v točkah T in T prime ki sta tudi simetrični glede na točko O Ko teče točka
A po premici p opišeta T in T prime dvodelno krivuljo ki so jo poimenovali
rdquoEvdoksova kampilardquo Točka T opiše njeno desno vejo T prime pa levo Krivulja
je očitno simetrična glede na obe koordinatni osi (slika 41)
Enačbo desne veje dobljene Evdoksove kampile je najlaže najprej izraz-
iti v polarnih koordinatah nato pa še v implicitni obliki v pravokotnih
67
Slika 41 Konstrukcija točk Evdoksove kampile
kartezičnih koordinatah Za polarni kot ϕ vzamemo naklonski kot pre-
mice q za polarni radij pa razdaljo ∣OT ∣ (slika 41) Najprej očitno veljata
zvezi ∣OA∣ = ∣OD ∣cosϕ = acosϕ in = ∣OT ∣ = ∣OB∣cosϕ = ∣OA∣cosϕ iz
katerih dobimo = acos2ϕ tako da je nazadnje pri pogoju minusπ2 ltϕ ltπ2
polarna enačba desne veje Evdoksove kampile
(ϕ) =a
cos2ϕ (10)
Obe veji krivulje imata implicitno obliko
a2(x2 +y2) = x4 (11)
ki jo dobimo iz polarne oblike z upoštevanjem zvez 2 = x2 + y2 in cosϕ =
x Krivulja v obliki (11) ima izolirano točko O(00) ki je posledica del-
jenja z ki je lahko tudi enak 0 Evdoksova kampila je algebrska krivulja
četrte stopnje
Z Evdoksovo kampilo se da podvojiti kocko Načrtamo krožnico s
središčem v točkiD in polmerom a Njena enačba je x2+y2 = 2ax Vstavimo
68
Slika 42 Podvojitev kocke z Evdoksovo kampilo
2ax namesto x2 + y2 v (11) in dobimo enačbo x4 minus2a3x = x(x3 minus2a3) = 0 ki
ima realni rešitvi x0 = 0 in x1 = a 3radic
2 V prvem kvadrantu se krožnica in
Evdoksova kampila sekata v točki T (a 3radic
2aradic
2 3radic
2minus 3radic
4) kar pomeni da
ima točka T absciso
∣T0T ∣ = b = a 3radic2
Kocka z robom b ima prostornino b3 = 2a3 torej dvakratnik prostornine
kocke z robom a
Grška beseda καμπύλος pomeni rdquokriv zavit upognjenrdquo v ženski ob-
liki καμπύλη beseda γραμμή pa rdquočrta potezardquo Polno ime krivulje je v
grščini καμπύλη γραμμή torej rdquokriva črtardquo na kratko so jo poimenovali kar
rdquokampilardquo kateri so dodali še Evdoksovo ime Evdoks iz Knida (408ndash355
pnš) Εὔδοξος ὁ Κνίδιος je bil starogrški matematik in astronom Bil je
Arhitov učenec v Tarentu grško Τάρας in Platonov na Akademiji v Ate-
nah Obiskal je tudi Sicilijo in Egipt Kasneje je ustanovil svojo šolo v
Kiziku grško Κύζικος ob Mramornem morju ali Propontidi grško Προ-
ποντίς Pomemben je njegov doprinos v teoriji razmerij in nesoizmerljivih
količin kar je uporabil Evklid Εὐκλείδης v svojih Elementih Στοιχεῖα
69
Grška beseda εὔδοξος pomeni med drugim rdquosloveč slaven ugledenrdquo
V astronomiji je Evdoks zagovarjal geocentrični svetovni sistem in za
pojasnitev gibanja planetov in Lune uvedel sistem koncentričnih sfer ki
se vrtijo ena v drugi S tem v zvezi je uvedel še eno krivuljo ki jo poznamo
pod imenom rdquoEvdoksova hipopedardquo
Problem podvojitve kocke je na svojevrsten način s torusom valjem
in stožcem rešil pitagorejec in vojaški poveljnik Arhitas iz Tarenta v južni
Italiji grško Αρχύτας ὁ Ταραντίνος rojen med letoma 435 in 410 umrl
pa med letoma 360 in 350 pnš Morda je Evdoks Arhitovo prostorsko
rešitev problema podvojitve kocke poenostavil na reševanje v ravnini in
tako prišel do svoje kampile Dokazano to ni nikjer ve se le da mu je
rešitev uspelo najti z neko krivuljo Način reševanja pa je podoben reše-
vanju z Uhlhornovo toksoido ki ima tudi podobno enačbo v polarni obliki
(ϕ) = acos3ϕ
Tako Uhlhornova toksoida kot Evdoksova kampila spadata v skupino
Clairautovih krivulj = acosnϕ ali = asinnϕ Če je n racionalno število
je Clairautova krivulja algebrska Alexis Claude Clairaut (1713ndash1765) je
bil francoski matematik in astronom
Evdoksovo kampilo brez izolirane toke O parametriziramo kar s po-
larnim kotom
x(ϕ) =a
cosϕ y(ϕ) =
asinϕcos2ϕ
Njena ukrivljenost κ(ϕ) se izraža v obliki
κ(ϕ) =cos3ϕ(3sin2ϕ minus1)
a(3sin2ϕ +1)32
Ukrivljenost spremeni predznak pri kotu ϕ za katerega je 3sin2ϕ minus1 = 0
V takih točkah ima krivulja prevoje Evdoksova kampila ima štiri in sicer
70
Slika 43 Desna veja Evdoksove kampile prevoja in pritisnjena krožnica
v točkah (plusmnaradic
62plusmnaradic
32) Strmini tangent v teh točkah sta plusmn2radic
2 Os x
presekata za desno vejo v točki G(3aradic
680) Krivinski polmer v točkah
D inDprime je enak a Središče pritisnjene krožnice v točkiD je v točki S(2a0)
Približno ujemanje krivulje tangent v prevojih Pplusmn in pritisnjene krožnice v
temenu D kaže slika 43 Ujemanje bi lahko izkoristili za približno podvo-
jitev kocke Če namesto Evdoksove kampile vzamemo kar njeno tangento
y = 2radic
2(xminusaradic
62)+aradic
32
v prevoju v prvem kvadrantu in poiščemo absciso ξ presečišča s krožnico
x2 +y2 = 2ax dobimo
ξa=
118
radic
24radic
6minus23+
radic6
3+
19≐ 1259956951
namesto točnejše vrednosti
3radic
2a
≐ 1259921049
71
Če bi podoben račun naredili za Uhlhornovo toksoido ki se v prevojih
tudi približno ujema s tangentama bi dobili slabši rezultat
Zgoraj opisani približek lahko izkoristimo za precej natančno evklid-
sko konstrukcijo roba b podvojene kocke z robom a V koordinatnem sis-
temu Oxy narišemo krožnico s polmerom a s središčem v točki D(a0)
skozi O pa konstruiramo premico p z naklonskim koeficientom k = 2radic
2
Na abscisni osi konstruiramo točkoG(3aradic
680) in skoznjo premico q vz-
poredno s p Presečišče te premice s krožnico je točka T njena pravokotna
projekcija na os y pa točka T0 Razdalja b = ∣T0T ∣ je dober približek za
a 3radic
2 (slika 44) Pri tem izkoristimo izraza za diagonalo kvadrata in višino
enakostraničnega trikotnika v katerih nastopataradic
2 inradic
3 s kombinacijo
obeh pa šeradic
6 Podrobnosti so izpuščene z malo truda lahko konstrukcije
izvede vsak sam
Slika 44 Približna podvojitev kocke
Zrcalno sliko Evdoksove kampile (11) na krožnici x2 + y2 = a2 takoj
dobimo iz polarne oblike njene desne veje lowast(ϕ) = acos2ϕ Z zapisom v
pravokotnih kartezičnih koordinatah dobimo implicitno obliko za celotno
prezrcaljeno krivuljo
(x2 +y2)3 = a2x4
72
Krivulja je algebrska šeste stopnje Simetrična je glede na obe koordinatni
osi Njeni največji odkloni od osi x so pri polarnih kotih ϕ za katere je
3sin2ϕ = 1 to je v točkah (plusmn2aradic
69plusmn2aradic
39) kjer ima krivulja vodo-
ravni dvojni tangenti
Slika 45 Zrcaljenje Evdoksove kampile na krožnici
Nova krivulja spada med Clairautove Ploščina P obeh delov jajčastih
oblik je
P = 4 sdota2
2 intπ2
0cos4ϕdϕ = 2a2 sdot
34
sdotπ2=
3πa2
8
Problem podvojitve kocke grško διπλασιασμός τοῦ κύβου ali deloški
problem poimenovan po grškem otoku Delosu v Egejskem morju je reše-
valo več grških geometrov ki so celo skušali izdelati v ta namen posebno
orodje Platon je pograjal Evdoksove Arhitove in Menajhmove učence
češ da njihovi napori kvarijo kar je dobrega v geometriji Nastal je celo
epigram (puščica zbadljivka) v zvezi s podvojitvijo kocke ki je zapisan v
Evtokijevih komentarjih k Arhimedovi razpravi rdquoO krogli in valjurdquo grško
Περὶ σφαίρας καὶ κυλίνδρου Matematik in neoplatonist Evtokij iz Aškalona
v Palestini Εὐτόκιος ὁ Ασκαλονίτης je bil poznoantični matematik rojen
73
okoli leta 480 umrl pa je okoli leta 520 O njem se ve bore malo Nekaj
časa je deloval v Atenah nazadnje pa v Aleksandriji Napisal je tudi ko-
mentarje k Apolonijevi razpravi rdquoStožnicerdquo v grščini Κωνικά Na stožnice
se je v srednjem kar nekoliko pozabilo zanimanje zanje je spet oživelo
šele v času Keplerja in Newtona ko je bil potreben opis gibanja planetov
v heliocentričnem svetovnem sistemu
Navedimo omenjeni epigram v grščini in v prevodu S Weiss (vzeto iz
obsežnega knjižnega dela v treh delih [3])
Μηδὲ σύ γrsquo Αρχύτεω δυσμήχανα ἔργα κυλίνδρων
μηδὲ Μεναιχμείους κωνοτομεῖν τριάδας
διζήσηι μηδrsquo εἴ τι θεουδέος Εὐδόξοιο
καμπύλον ἐν γραμμαῖς εἶδος ἀναγράφεται
Težkih Arhitovih del s cilindri nikar ne posnemaj
stožnic Menajhmovih treh nikdar izsekal ne boš
niti ne boš spoznal če božanskega črte Evdoksa
res zarišejo lik tak iz zavitih kampil
Videli smo kaj vse se da povedati o neki krivulji če obvladamo in-
finitezimalni račun Seveda nam je to sedaj ko imamo na voljo najnovejše
pripomočke in obsežno ter dostopno matematično literaturo veliko laže
kot je bilo matematikom v 17 stoletju ko so v marsičem še orali ledino
Pomembni znanstveniki rojeni v 17 stoletju
Navedimo nekaj pomembnih znanstvenikov predvsem matematikov fizi-
kov in astronomov ki so se rodili v 17 stoletju Razvrščeni so po letnicah
74
rojstva Veliko podatkov dobimo v [1 5] in na svetovnem spletu
Gilles Personne de Roberval (1602ndash1675)
Pierre de Fermat (1607ndash1665)
Giovanni Alfonso Borelli (1608ndash1679)
Evangelista Torricelli (1608ndash1647)
John Pell (1610ndash1685)
Johann Hevel (1611ndash1687)
Frans van Schooten (1615ndash1660)
Carlo Renaldini (1615ndash1698)
John Wallis (1616ndash1703)
Henry Oldenburg (1618ndash1677)
Michelangelo Ricci (1619ndash1682)
William Brouncker (1620ndash1684)
Edmeacute Mariotte (1620ndash1684)
Jean Picard (1620ndash1682)
Vincenzo Viviani (1622ndash1703)
Reneacute-Franccedilois de Sluse (1622-1685)
Blaise Pascal (1623ndash1662)
Giovanni Domenico Cassini (1625ndash1712)
Robert Boyle (1627ndash1691)
Christiaan Huygens (1629ndash1695)
Isaac Barrow (1630ndash1677)
Ehrenfried Walther von Tschirnhaus (1631ndash1708)
Christopher Wren (1632ndash1723)
Johann Hudde (1633ndash1704)
Robert Hooke (1635ndash1703)
75
William Neile (1637ndash1670)
James Gregory (1638ndash1675)
Philippe de la Hire (1640ndash1719)
Isaac Newton (1643ndash1727)
Olaus Roslashmer (1644ndash1710)
Gottfried Wilhelm Leibniz (1646ndash1716)
Denis Papin (1647ndash1712)
Michel Rolle (1652ndash1719)
Pierre Varignon (1654ndash1722)
Jacob Bernoulli (1655ndash1705)
Edmund Halley (1656ndash1742)
Guillaume Franccedilois Antoine LrsquoHocircpital (1661ndash1704)
David Gregory (1661ndash1708)
Abraham de Moivre (1667ndash1754)
Johann Bernoulli (1667ndash1748)
Jacopo Francesco Riccati (1676ndash1754)
Giulio Carlo Fagnano (1682ndash1766)
Roger Cotes (1682ndash1716)
Reneacute Antoine Reacuteaumur (1683ndash1757)
Greacutegoire de Saint-Vincent (1584ndash1667)
Brook Taylor (1685ndash1731)
Gabriel Daniel Fahrenheit (1686ndash1736)
Colin Maclaurin (1698ndash1746)
Pierre Louis Moreau de Mapertuis (1698ndash1759)
76
Viri
[1] I Asimov Biografska enciklopedija znanosti in tehnike Tehniška za-
ložba Slovenije Ljubljana 1978
[2] J Bair V Henry Sluse ses perles et son algorithme Losanges 14
(2011) str 14ndash18 httphdlhandlenet2268100155 (videno 10
7 2021)
[3] G Kocijančič (urednik) Fragmenti predsokratikov Študentska za-
ložba Ljubljana 2012
[4] G Loria Spezielle algebraische und transscendente ebene Kurven
Teubner Leipzig 1902
[5] U C Merzbach C B Boyer A History of Mathematics John Wiley amp
Sons Hoboken New Jersey 2011
[6] J J OrsquoConnor E F Robertson Reneacute Franccedilois Walter de Sluze MacTu-
tor
httpsmathshistoryst-andrewsacukBiographiesSluze
(videno 10 7 2021)
[7] B von Pape Von Eudoxus zu Uhlhorn Books on Demand Norderstedt
2019
[8] M Razpet Pomnožitev hiperkocke Obzornik mat fiz 68 (2021) št 1
str 1-9
[9] M Razpet in N Razpet Prepogibanje papirja podvojitev kocke in
Slusova konhoida Obzornik mat fiz 67 (2020) št 2 str 41-51
77
[10] Y Renotte Reneacute de Sluze dialogues avec Christiaan Huygens
Bulletin de lrsquouniversiteacute du 3e acircge - Liegravege 23 (2021) 4 strani
httphdlhandlenet22682596400 (videno 10 7 2021)
[11] R F Slusius Mesolabum seu duaelig mediaelig proportionales inter ex-
tremas datas per circulum et ellipsim vel hyperbolam infinitis modis
exhibitaelig Leodii Eburonum Liegravege 1659
[12] R F Slusius Mesolabum seu duaelig mediaelig proportionales inter ex-
tremas datas per circulum et per infinitas hyperbolas vel ellipses et
per quamlibet exhibitaelig ac problematum omnium solidorum effectio
per easdem curvas Leodii Eburonum Liegravege 1668
[13] D Uhlhorn Entdeckungen in der houmlhern Geometrie theoretisch und
practisch abgehandelt Schulzersquosche Buchhandlung Oldenburg 1809
[14] I Vidav Algebra Mladinska knjiga Ljubljana 1972
Avtor se zahvaljuje prof dr Milanu Hladniku za strokovni pregled
copy(2021) Marko Razpet
78
zapustil naslednje leto ko ga je papež Inocenc X imenoval za kanonika v
katedrali sv Lamberta v Liegravegeu Zaradi svojega znanja prava je v Cerkvi
hitro napredoval in kmalu se je povzpel na vplivne položaje Leta 1659
je postal član zasebnega sveta katedrale v Liegravegeu leta 1666 pa kot cis-
tercijanski duhovnik opat opatije La Paix Dieu v Amayu (valonsko Ama)
jugozahodno od Liegravegea Bil je tudi zasebni svetovalec koumllnskega nadškofa
in volilnega kneza Svetega rimskega cesarstva tudi škofa v Liegravegeu Mak-
similijana Henrika Bavarskega (1621ndash1688) Umrl je 19 marca 1685 v
Liegravegeu
Reneacutejev brat Johannes Walter (1628ndash1687) se je v cerkveni hierarhiji
leta 1686 povzpel vse do kardinala Rojen je bil prav tako v Viseacuteju umrl pa
je v Rimu kjer je tudi pokopan in sicer v cerkvi Santa Maria dellrsquoAnima
Beseda rdquohierarhijardquo je grškega izvora Njen prvi del izhaja iz besede
ἱερός kar pomeni rdquosvet posvečen božjirdquo drugi del pa iz besede ἀρχός kar
pomeni rdquoprvak gospodar vladarrdquo
Omenjena kolegijska cerkev je naziv za tiste cerkve v katerih je Sveti
sedež ustanovil kapitelj ali kolegij klerikov (duhovnikov) imenovanih ka-
noniki Namen te ustanove je bil narediti bolj slovesno bogoslužje v cerk-
vah izbranega določenega pomena Ustanovitev posodobitev ali ukinitev
kolegijskih cerkva je bil v pristojnosti Svetega sedeža
Kanonik je v katoliški cerkvi dostojanstvenik član stolnega kapitlja
škofov svetovalec izvedenec za cerkveno pravo Sama beseda kanonik
izhaja iz grške κανών kar pomeni rdquovzorec predpis pravilo vodilordquo
Zaradi zahtevnih cerkvenih dolžnosti de Sluse ni imel več priložnosti
potovati toliko kot bi si želel Da bi zadovoljil svojo veliko intelektu-
alno radovednost si je stalno dopisoval z nekaterimi velikimi evropskimi
učenjaki B Pascalom C Huygensom P Fermatom R Boylom J Gre-
8
goryjem M Riccijem J Wallisom in H Oldenburgom Tako je lahko
izražal svoje ideje je pa zaradi drugega dela malo objavljal H Olden-
burg je bil tista leta tajnik Kraljevega društva v Londonu katerega član
je de Sluse postal leta 1674 Oldenburg je de Slusove zamisli posredoval
neposredno angleškim učenjakom in drugim članom kot je bilo takrat v
navadi Do njih je prišlo skoraj 80 pisem izmenjanih med letoma 1667
in 1676 De Slusovo korespondenco je leta 1884 objavil matematik C Le
Paige iz Liegravegea S tem je de Slusovo znanstveno delo postalo širše znano
De Sluse je umrl 19 marca 1685 v Liegravegu ravno tistega leta ko se je začel
spor med Newtonom in Leibnizem glede tega kdo je avtor infinitezimal-
nega računa Pokopali so ga v kolegijski cerkvi v Viseacuteju v bližini njegovih
staršev Družinski mavzolej je obstajal do 14 avgusta 1914 ko je nemška
vojska požgala kolegijsko cerkev sv Martina in sv Hadelina V kolegijski
cerkvi v Viseacuteju je ob levem stranskem oltarju spominska plošča ki govori
o slavnem prebivalcu Viseacuteja iz 17 stoletja kanoniku Reneacuteju-Franccediloisu
de Slusu Mesti Viseacute in Liegravege sta mu posvetili ulici Rue de Sluse mesto
Bassenge zahodno od Viseacuteja pa pot Chemin de Sluse
Matematične teme ki jih je obravnaval de Sluse so bile povezane z
znanstvenimi interesi tistega časa Po eni strani so bili geometrijski prob-
lemi ki segajo v čas Evklida in Arhimeda oživljeni v drugi polovici 16
in prvi polovici 17 stoletja Zlasti Cavalieri je razvil teorijo nedeljivih
količin ki je imela določen vpliv na razvoj matematične analize Po drugi
strani pa se je približno v istem času ko se je začela razvijati algebra po
zaslugi F Viegraveta ki je uvedel algebrski jezik in predvsem R Descartesa
in njegovega dela rdquoLa Geacuteomeacutetrierdquo zelo povečalo zanimanje za geometrijo
Združitev teh dveh tokov je de Slusa in številne druge matematike njego-
vega časa pripeljal do tega da so se začeli zanimati za geometrijske last-
9
Slika 3 Mesolabum druga izdaja 1668
nosti analitično definiranih krivulj predvsem algebrskih pa tudi spiral in
cikloid ki so bile takrat modne teme Pomembni problemi v tistih časih so
bili kako definirati in konstruirati tangento na krivuljo kako izračunati
ploščino lika ki ga ograjuje taka krivulja kako izračunati njeno dolžino
in kako izračunati prostornino in površino teles ki niso omejena samo z
ravninskimi ali sferičnimi liki G W Leibniz je pri de Slusu in Descartesu
našel marsikatero idejo pri razvoju infinitezimalnega računa in analitične
geometrije Ni čudno da je Huygens v nekem v pismu H Oldenburgu
dal o de Slusu naslednje mnenje rdquoSlusius eotilde geometrarum quos novi
omnium doctissimus candidissimusquerdquo rdquoSluse je od geometrov kar jih
poznam najbolj učen in jasenrdquo
10
Prav tako so bili v de Slusovem času še vedno aktualni problemi reše-
vanja algebrskih enačb tretje in četrte stopnje čeprav so to znali že itali-
janski matematiki S del Ferro N Tartaglia G Cardano in L Ferrari Še
vedno pa so bili živi antični problemi kvadrature kroga trisekcije kota in
podvojitve kocke s katerimi so se ubadali grški geometri Kot je znano gre
pri problemu podvojitve kocke za konstrukcijo kocke s prostornino ki je
dvakrat večja od prostornine dane kocke Problema se ne da rešiti z neoz-
načenim ravnilom in šestilom kot si je zamislil Platon pač pa s pomočjo
nekaterih algebrskih krivulj ali pa s posebnimi mehanskimi napravami
De Sluse je obravnaval geometrijsko reševanje algebrskih enačb tretje in
četrte stopnje z uporabo presečišč stožnic Descartes je pokazal da se
problem lahko rešuje z iskanjem presečišč parabole in krožnice de Sluse
pa je pokazal da lahko parabolo nadomestimo s katerokoli stožnico kar
se je izkazalo za veliko bolj prilagodljivo in elegantno kot Descartesova
metoda Svojo metodo je pod velikim vplivom Viegravetovih in drugih del
razvil v delu rdquoMesolabumrdquo (1659) še posebej v njegovi drugi izdaji (1668)
Celotna naslova izdaj nista popolnoma identična (glej [11 12]) Razvil je
tudi postopek za iskanje subtangente in s tem tangente katerekoli alge-
brske krivulje in to brez uporabe odvoda funkcije kakršnega poznamo
dandanes
Na sliki 3 opazimo v letnici izdaje de Slusovega Mesolabuma tudi malo
drugačen zapis rimskih številk za 500 in 1000 Navajeni smo ju pisati v
obliki D in M Namesto D so svoj čas pisali I in narobe obrnjen C torej
I C kar je skoraj D Za M pa CI C Število I Cje druga polovica od CI C
kar je v soglasju z dejstvom da je 500 polovica od 1000 Razlog za tako
pisavo sega v čas starih Grkov Etruščanov in Rimljanov Baje so nekoč
uporabljali za 1000 črko Φ iz katere se je razvila oznaka CI C iz te pa M
11
Eratostenov mesolabum
Beseda rdquomesolabumrdquo je zelo stara Izvira iz grške besede μεσολάβος (morda
tudi iz μεσολάβον) ki je v antiki pomenila posebno geometrijsko orodje
za določevanje prve in druge srednje geometrijske sorazmernice Beseda
izvira iz grške μέσος kar pomeni rdquosrednjirdquo in λαμβάνω kar pomeni rdquovza-
mem primem zgrabim pograbim popadem ulovimrdquo Glagolska os-
nova je λαβ- je tista iz katere izhajata nedoločnik λαβεῖν in aorist λάβον
Mesolabum je potemtakem tisto s čimer lovimo sredino lovilec sredin
Podobna beseda je rdquoastrolabrdquo starodavna astronomska naprava za določe-
vanje položaja zvezd v grščini ἀστρολάβον ὄργανον
V grških besedilih je glagol λαμβάνω eden od osnovnih in kot tak zelo
pomemben V taki ali drugačni obliki je zato zelo pogost Za primer
navedimo iz Odiseje (XXIV 397ndash399 prevod A Sovregrave )
ὣς ἄρ ἔφη Δολίος δv ἰθὺς κίε χεῖρε πετάσσας
ἀμφοτέρας ᾿Οδυσεῦς δὲ λαβὼν κύσε χεῖρv ἐπὶ καρπῷ
καί μιν φωνήσας ἔπεα πτερόεντα προσηύδα
To je dejal Približa se Dolios rok mu razpetih
prime gospoda v zapestju roko mu ginjen poljubi
z glasom obrne se k njemu pa reče krilate besede
V latinščini imenujejo mesolabum tudi rdquomesolabiumrdquo kar se čudno
sliši ker beseda rdquolabiumrdquo pomeni ustnica Iz besede rdquolabiumrdquo so izvedene
še druge V fonetiki imamo glasove ki jih sooblikujemo z ustnicami in se
zato imenujejo rdquolabialirdquo na primer rdquoprdquo in rdquobrdquo
12
Mesolabum je iznašel Eratosten iz Kirene (276ndash195 pnš) grško ᾿Ερα-
τοσθένης ὁ Κυρηναῖος ki je deloval v Aleksandriji kot vodja tamkajšnje
slavne knjižnice ki je bila del Muzejona hiše učenosti in umetnosti grško
Μουσεῖον τῆς Αλεξανδρείας in je najbolj znan po svojem situ za iskanje
praštevil in po izračunu velikosti Zemlje Pri mesolabumu gre za to kako
mehansko določiti prvo in drugo srednjo geometrijsko sorazmernico x in
y daljic a in b kjer je 0 lt a lt b Srednji geometrijski sorazmernici x in y
morata zadoščati relacijiax=xy=y
b (1)
Če označimo te tri kvociente z λ in jih med seboj zmnožimo dobimo
axsdotxysdoty
b=ab= λ3
To pomeni da je
λ = 3
radicab x =
3radica2b y =
3radicab2
Pri tem velja relacija a lt x lt y lt b ki je posledica relacije
a3 = a2a lt a2b = aab lt abb = ab2 lt bb2 = b3
iz katere sledi po kubičnem korenjenju a lt3radica2b lt
3radicab2 lt b Zato lahko
rečemo da sta x in y sredini daljic a in b saj sta med a in b
Za b = 2a je x = a 3radic
2 in y = a 3radic
4 To pomeni da se s tem posreči pod-
vojiti in početveriti kocko Kocka z robom x ima namreč dvakrat kocka z
robom y štirikrat večjo prostornino kot kocka z robom a in dvakrat večjo
kot kocka z robom x ker je x3 = 2a3 in y3 = 4a3 = 2x3 Prvi ki je prišel na
idejo poiskati srednji geometrijski sorazmernici x in y za a in b = 2a je bil
v 5 stoletju pnš živeči Hipokrat z otoka Hios v grščini ῾Ιπποκράτης ὁ
Χῖος Skušal je rešiti problema podvojitve kocke in kvadrature kroga
13
Eratosten je bil nad svojim izumom mesolabuma tako navdušen da je
en primerek baje daroval v nekemu templju sicer pa ga je posvetil kralju
Ptolemaju III (284ndash222 pnš) imenovanemu tudi Ptolemaj Dobrotnik
grško Πτολεμαῖος Εὐεργρέτης
Slika 4 Osnovni elementi Eratostenovega mesolabuma
Sedaj je čas da opišemo Eratostenov mesolabum Njegov je bil sicer
izdelan iz lesa slonove kosti in kovin mi pa si ga bomo ogledali she-
matično geometrijsko uporabljajoč pravokotnike trikotnike daljice pre-
mice točke razmerja in sorazmerja
V ravnini so postavljeni skladni pravokotniki A1B1C1D1 A2B2C2D2 in
A3B3C3D4 s stranicami A1B1 A2B2 in A3B3 na skupni premici na kateri
ostanejo ves čas v nadaljevanju opisanega postopka Vse stranice pra-
vokotnikov pravokotne na to premico imajo dolžino b Dolžina pre-
ostalih stranic ni pomembna Na stranici B3C3 izberemo točko T tako
da je ∣B3T ∣ = a Prvi pravokotnik je negiben preostala dva pa lahko dr-
sita po premici tako da se tretji lahko skrije pod drugega drugi pa pod
prvega S tem lahko gibljiva dva postavimo tako da dobimo daljice dolžin
14
x in y ki skupaj z a in b zadoščajo relaciji (1) Pravokotniki so razdeljeni z
med seboj vzporednimi diagonalami na pravokotne trikotnike (slika 4)
Slika 5 Premik pravokotnikov Eratostenovega mesolabuma
Ko premikamo drugi pravokotnik pod prvega njegova diagonala B2D2
prej ali slej seka stranico B1C1 negibnega pravokotnika denimo v točki
E Ko pa premikamo tretji pravokotnik pod drugega njegova diagonala
B3D3 prej ali slej seka stranico B2C2 drugega pravokotnika denimo v točki
F Cilj premikanja pravokotnikov sem in tja je doseči kolinearnost točk
D1EF in T Kot bomo kmalu videli takrat x = ∣B2F∣ in y = ∣B1E∣ ustrezata
relaciji (1)
Kolinearnost točk D1EF in T dosežemo s postopkom ki mu učeno
rečemo rdquoiteracijardquo Malo premaknemo drugi pravokotnik nato malo tret-
jega pa zopet drugega itd dokler s svojo spretnostjo ne dosežemo zado-
voljive natančnosti V natančni legi označimo u = ∣B1D1∣ v = ∣B2E∣ in
w = ∣B3F∣ Te daljice so med seboj vzporedne (slika 6) in zaradi podob-
nosti trikotnikov A1B1D1 B1B2E in B2B3F ter trikotnikov B1ED1 B2FE in
15
Slika 6 Končna lega pravokotnikov Eratostenovega mesolabuma
B3T F dobimo sorazmerja
bu=y
v=xwy
u=xv=aw
iz katerih sledijo relacije
xw = av xv = yw yv = ux bv = uy
Iz prve druge tretje in četrte dobimo po vrsti
ax=wvwv=xyxy=vuvu=y
b
Sedaj je nedvomno razvidno da je res
ax=xy=y
b
Tako lahko z Eratostenovo napravo najdemo prvo in drugo srednjo ge-
ometrijsko sorazmernico daljic a in b Podobno bi lahko našli tudi več
srednjih geometrijskih sorazmernic daljic a in b
16
So pa matematiki že davno odkrili da se da srednji geometrijski so-
razmernici najti tudi s parabolama Iz relacije (1) namreč sledita preprosti
zvezi
x2 = ay y2 = bx
V prvi spoznamo enačbo parabole ki ima za simetralo ordinatno os gorišče
v točki F(0a4) in vodnico y = minusa4 v drugi pa enačbo parabole ki ima za
simetralo absciso os gorišče v točki G(b40) in vodnico x = minusb4 (slika 7)
Slika 7 Do srednjih geometrijskih sorazmernic s parabolama
Paraboli se sekata v točkah O(00) in A(3radica2b
3radicab2) Konstrukcijo je
odkril Menajhmos grško Μέναιχμος ki je živel v 4 stoletju pnš Prvi je
vpeljal stožnice kot preseke stožca z ravnino Teorijo stožnic je temeljito
obdelal Apolonij iz Perge (265ndash170 pnš) grško Απολλώνιος ὁ Περγαῖος
Njegove knjige so matematiki uporabljali še vse do Newtonovih časov
Prav tako pridemo do srednjih geometrijskih sorazmernic če poiščemo
presečišči parabole x2 = ay z goriščem F(0a4) in vodnico y = minusa4 ter
krožnice x2 + y2 = bx + ay ki ima središče v točki S(b2a2) in premer
17
Slika 8 Do srednjih geometrijskih sorazmernic s parabolo in krožnico
d =radica2 +b2 Parabola in krožnica se sekata v točkah O in A(
3radica2b
3radicab2)
(slika 8) kar potrdi preprost račun Opisano konstrukcijo je obvladal Reneacute
Descartes Menajhmos in Descartes sta pokazala da se z njunima kon-
strukcijama da rešiti problem podvojitve kocke Za b je treba v opisanih
postopkih vzeti 2a Pripomnimo še da je bila starogrška matematika
pretežno matematika razmerij in sorazmerij in tako je bilo še celo vrsto
stoletij Srednjo geometrijsko sorazmernico x daljic dolžin a in b tako
da velja a ∶ x = x ∶ b iz česar sledi x =radicab se da konstruirati z neoz-
načenim ravnilom in šestilom Spomnimo se na višinski izrek v pravokot-
nem trikotniku ki je pravzaprav posledica podobnosti dveh trikotnikov
na katera višina na hipotenuzo razdeli pravokotni trikotnik
Pri dveh srednjih geometrijskih sorazmernicah x in y pa se kot smo
videli pojavi kubični koren ki pa z omenjenima geometrijskima orodjema
ni konstruktibilen To so matematiki dokazali šele v 19 stoletju Do takrat
so problem skušali rešiti na druge načine in pri tem odkrili nove krivulje
tako da njihov trud le ni bil popolnoma zaman Geometrijski objekt bo za
18
nas rdquokonstruktibilenrdquo če se ga da konstruirati z neoznačenim ravnilom in
šestilom
Drugo de Slusovo delo
De Sluse še vedno velja za izjemno učenega človeka nadarjenega za mate-
matiko izumiteljstvo in posploševanje Njegovo ime je še danes povezano
z njegovimi konhoidami in perlami De Slusova konhoida (slika 9) ki ima
implicitno obliko
(xminus c)(x2 +y2)minus2cx2 = 0
je precej natančno obravnavana v članku [9]
Slika 9 Slusova konhoida
Reneacute de Sluse se ni ukvarjal le z matematiko ampak tudi z astronomijo
fiziko naravoslovjem in seveda teologijo Pogosto se je pritoževal nad
omejitvami ki so mu jih nalagale njegove verske in upravne funkcije
Ni veliko eksperimentiral ker za to ni imel posebnega veselja pa tudi
ne tehničnih možnosti Je pa predlagal drugim zlasti Huygensu da naj
naredijo tak ali drugačen eksperiment Z zanimanjem je bral prepovedane
19
knjige N Kopernika G Galileja in J Keplerja ter kritiziral prizadevanja za
obnovitev starih konceptov Pisal je že o ekscentričnosti v zvezi s Soncem
Zdi se da je za svoje izračune uporabljal oba sistema heliocentričnega
in geocentričnega Rad je opazoval zvezdnato nebo Tako v kemiji kot
drugje se je znašel na razpotju Prebral je modne knjige o alkimiji in
celo ponovil poskus sublimacije antimona v belo barvo vendar je bila nje-
gova razlaga odločno korpuskularna saj je uporabljal Boylove zamisli o
strukturi tekočega in trdnega stanja V podporo temu je izvajal poskuse
zamrzovanja različnih raztopin in študiral sestavo lojevca V medicinski
kemiji se je zanimal za zdravilne vode in jih tudi analiziral
V fiziki sta ga je posebej zanimala merjenje temperature in praktična
termometrija Če ne upoštevamo odkritij E Torricellija in B Pascala o
vplivu atmosferskega tlaka na zračni termometer je de Sluse leta 1664
izumil svoj termometer z voščeno kroglico pomešano s peskom ki se je
gibala v stekleni cevi zaprti na dnu napolnjeni s slano vodo tako da je
bila kroglica bolj ali manj potopljena v sredini cevi kar je opisal v pismih
Huygensu Kroglica je označevala vsako spremembo v zraku iz toplejšega
na hladnejše ko se je spuščala ali dvigala Huygens je odgovoril da je
njegov termometer prepočasen vendar je zanesljivejši od drugih istovrst-
nih termometrov ker je manj podvržen vplivu atmosferskega tlaka Žal
ni poznal florentinskega termometra ko je svojim dopisnikom vključno s
Huygensom in Oldenburgom povedal o svojem izumu Florentinski ter-
mometri so pomenili odločilen korak naprej pri merjenju temperature
Bili so prvi ki so omogočali natančne meritve Pred iznajdbo v Firencah
okoli leta 1650 so bili stari modeli zelo približni določali so ali je pred
nami nekaj hladnega ali vročega ne da bi lahko odčitali ali ocenili tem-
peraturo Razlika je v tem da je steklena cev zaprta tako da je vpliv tlaka
20
odpravljen Uporabljali so se predvsem petdesetstopinjski termometri
Taki termometri so večinoma služili za določanje nihanja temperature zra-
ka v zaprtih prostorih in na prostem Oblikovanje termometra je takrat
pomenilo tudi določitev njegove merilne lestvice vendar še brez Celzijevih
ali Fahrenheitovih stopinj Pri tem so bile stopinje enakomerno razpore-
jene med dvema skrajnostma in sicer med nivojem najhladnejše tekočine
pozimi (nizka točka) in nivojem najbolj vroče tekočine poleti (visoka točka)
Zaradi teh zelo relativnih vrednosti je primerjava meritev med dvema ter-
mometroma nezanesljiva Ob upoštevanju pripomb jo je večkrat spreme-
nil in jo ponovno predložil Oldenburgu do leta 1669 ko je R Boyle izrazil
negativno mnenje glede topnosti voska kroglic v slani tekočini Po tem da-
tumu termometer ni bil nikoli več omenjen De Sluse je zboljšal različne
instrumente ure številčnice barometre Ker ga je motilo prerekanje med
raziskovalci glede avtorstva odkritij je po Oldenburgovi smrti leta 1677
končal svojo znanstveno dejavnost
Šele v 18 stoletju so razvijali temperaturne merilne lestvice C Re-
naldini (1694) O C Roslashmer (1702) G Fahrenheit (1717) Reneacute-Antoine
F de Reacuteaumur (1730) in A Celsius (1741) Enota kelvin (K ndash v čast lordu
Kelvinu 1824-1907) osnovna enota mednarodnega sistema enot za tem-
peraturo je bila uvedena šele leta 1954
De Sluse je bil tudi zgodovinar Napisal je knjigo o smrti sv Lam-
berta škofa v Tongresu ki je bil ubit na kraju kamor je sv Hubert njegov
naslednik prenesel sedež svoje škofije Kraj se je kasneje razvil v Liegravege
Druga zgodovinska študija se nanaša na slavnega maastrichtskega škofa
sv Servacija Med de Slusovimi neobjavljenimi rokopisi je tudi zgodovina
Koumllna Pripomnimo še da je sv Hubert zavetnik lovcev matematikov
optikov in kovinarjev
21
O širini de Sluzovih interesov priča raznolikost tem ki so zajete na
več sto straneh njegovega dela neobjavljenih rokopisov ki jih zdaj hrani
Narodna knjižnica Bibliotheque Nationale v Parizu Čeprav se je ukvarjal
predvsem z matematiko njegovi rokopisi obravnavajo tudi astronomijo
fiziko in naravoslovje
De Slusove perle
Po de Slusu so po zaslugi B Pascala (več o tem v [4]) imenovane tudi
krivulje rdquode Slusove perlerdquo to so krivulje ki se v pravokotnem kartezi-
čnem koordinatnem sistemu Oxy izražajo z enačbo
ym = kxn(aminusx)p (2)
Pri tem so eksponenti mn in p naravna števila a in k pa pozitivni kon-
stanti Glede na parnost eksponentovmn in p formalno razlikujemo osem
možnosti od katerih imamo opravka s perlami le v primeru ko je m sodo
število s pravimi perlami pa v primeru ko je m sodo število n in p pa lihi
števili (slika 10) Skupno tem krivuljam so simetričnost glede na os x in
presečišča s to osjo pri x = 0 in x = a De Sluse je po svoje brez uporabe
odvoda izračunal da njegove perle dosegajo lokalne ekstreme največji
odstop od osi x med 0 in a za x = na(n+p)
V teh primerih je ploščina S lika ki ga ograjuje zanka perle enaka
S = 2k1mint
a
0xnm(aminusx)pmdx = 2k1ma(m+n+p)mint
1
0tnm(1minus t)pmdt
Integracijsko spremenljivko x smo zamenjali z novo spremenljivko t prek
relacije x = at da smo dobili obliko ki jo lahko izrazimo z Eulerjevima
22
Slika 10 Primeri de Slusovih perl
funkcijama B in Γ
S = 2k1ma(m+n+p)mB(nm+1pm+1) =
= 2k1ma(m+n+p)mΓ(nm+1)Γ(pm+1)
Γ((n+p)m+2)=
= 2k1ma(m+n+p)mnp
(m+n+p)(n+p)
Γ(nm)Γ(pm)
Γ((n+p)m)
Pri rotaciji okoli osi x ta lik v prostoru opiše telo s prostornino
V =πk2mint
a
0x2nm(aminusx)2pmdx =πk2ma(m+2n+2p)m
int
1
0t2nm(1minust)2pmdt
23
Slika 11 Zasuk de Slusove perle za m = 2n = 3p = 1k = 001 okoli osi x
Integracijsko spremenljivko x smo tudi to pot zamenjali z novo spremenljivko
t prek relacije x = at da smo dobili obliko ki jo lahko izrazimo z Eulerje-
vima funkcijama B in Γ
V =πk2ma(m+2n+2p)mB(2nm+12pm+1) =
=πk2ma(m+2n+2p)mΓ(2nm+1)Γ(2pm+1)Γ((2n+2p)m+2)
=
= 2πk2ma(m+2n+2p)m np
(m+2n+2p)(n+p)Γ(2nm)Γ(2pm)
Γ((2n+2p)m)
Poseben primer de Slusove perle
Natančneje bomo obravnavali de Slusovo perlo samo primer za m = n = 2
p = 1 in k = 1a to se pravi krivuljo K ki ima implicitno enačbo ay2 =
x2(a minus x) To pa zato ker se posamezne točke te krivulje da preprosto
konstruirati z osnovnim geometrijskim orodjem
24
Geometrijska konstrukcija in analitična obravnava
Do posameznih točk T krivulje K pridemo s preprosto geometrijsko kon-
strukcijo (slika 12) V pravokotnem kartezičnem koordinatnem sistemu
Oxy načrtamo premico x = a kjer je a pozitivna konstanta Skozi koordi-
natno izhodišče O potegnemo premico p ki ima enačbo y = tx in preseka
premico x = a v točki A(ata) Parameter t smerni koeficient premice p s
katerim je sorazmerna ordinata točkeA bomo kasneje spreminjali V točki
A na p postavimo pravokotnico q ki seka os x v točki B V B načrtamo na
q pravokotnico r ki seka premico x = a v točki C nazadnje pa skozi C še
pravokotnico s na r Presečišče premic p in s naj bo točka T (xy) Sedaj
bomo izrazili njeni koordinati x in y s parametrom t
Slika 12 Konstrukcija točke T de Slusove perle K
Premica q ima enačbo y = minus(x minus a)t + at in preseka os x v točki B(a +
at20) Premica r ima enačbo y = t(x minus aminus at2) in preseka premico x = a v
točki C(aminusat3) premica s pa enačbo y = minus(xminus a)t minus at3 Koordinati točke
T sta rešitvi sistema enačb
y = tx y = minusxminusat
minusat3
25
Po krajšem računu dobimo
x(t) = a(1minus t2) y(t) = at(1minus t2) (3)
To sta parametrični enačbi krivulje K Ko spreminjamo t po vseh realnih
vrednostih oziroma ko A drsi po premici x = a točka T (xy) opiše krivuljo
K (slika 13) z zanko ki spominja na perlo
Če si mislimo da je parameter t čas enačbi (3) predstavljata sestav-
ljeno gibanje točkaste mase v dveh med seboj pravokotnih smereh v koor-
dinatni ravnini v smeri osi x po pravilu prve enačbe v smeri osi y pa po
pravilu druge enačbe Tirnica takega gibanja je krivulja K Podoben le da
bolj preprost primer imamo tudi pri gibanju točkaste mase pri poševnem
metu
Slika 13 De Slusova perla K
Ko se t spreminja od zelo velikih negativnih vrednosti potuje T po
loku v drugem kvadrantu navzdol in doseže za t = minus1 prvič točko O Za
minus1 le t le 0 opiše lok v četrtem kvadrantu odO do temenaD(a0) za 0 le t le 1
opiše lok v prvem kvadrantu od D do točke O ki jo doseže drugič za t = 1
za t gt 1 pa se spusti po loku v tretjem kvadrantu navzdol
26
Če upoštevamo (3) dobimo
x2(t)(aminusx(t)) = a2(1minus t2)2 sdotat2 = a(at(1minus t2))2 = ay2(t)
To pomeni da je ay2 = x2(aminusx) implicitna enačba krivulje K in da je K al-
gebrska krivulja tretje stopnje Krivulja K je simetrična glede na os x Za
točke ki so zelo blizu koordinatnemu izhodiščuO je člen x3 zanemarljivo
majhen v primerjavi s kvadratnima členoma zato je tam enačba krivulje
K približno ay2 = ax2 oziroma (y minusx)(y +x) = 0 Ta enačba razpade na dve
y = x in y = minusx V točki O ima krivulja tangenti y = x in y = minusx ki se sekata
pravokotno V točki D je tangenta na krivuljo premica x = a Krivulja ima
na zanki dve glede na os x simetrično ležeči lokalno ekstremni točki v ka-
terih je tangenta vzporedna z osjo x To sta točki Mplusmn(2a3plusmn2aradic
39) De
Sluse jih je na svojevrsten način pravilno izračunal čeprav je bilo v nje-
govem času računanje z odvodi še v zametkih Da bi pravilnost ekstrem-
nih točk preverili brez odvoda uporabimo kvadrat ekstremne ordinate ki
je y2M = 4a227 in zapišimo izraz
ay2M minusx2(aminusx) = 4a327minusax2 +x3 = (xminus2a3)2(x+a3)
ki je za 0 lt x lt a nenegativen in enak 0 za x = 2a3 To pomeni da je
tedaj x2(a minus x) le 4a327 in največja ordinata na zanki krivulje je 2aradic
39
najmanjša pa minus2aradic
39 oboje pri x = 2a3 (slika 14)
Z uporabo odvoda gre vse veliko hitreje Ordinata y doseže ekstrem
takrat kot ay2 Zato je vseeno če poiščemo ekstrem enostavnejše funkcije
g(x) = x2(a minus x) = ax2 minus x3 Potreben pogoj za to je g prime(x) = 2ax minus 3x2 = 0
Dobimo stacionarni točki x1 = 0 in x2 = 2a3 Uporabimo še g primeprime(x) = 2aminus6x
Ker je g primeprime(x1) = 2a gt 0 in g primeprime(x2) = minus2a lt 0 ima funkcija g v točki x1 lokalni
minimum ki je enak 0 v točki x2 pa lokalni maksimum ki je enak 4a327
27
Slika 14 Lokalna ekstrema na de Slusovi perli K
Ekstremna točka na zanki kjer je tangenta vzporedna z osjo x je očitno
le v x2 kvadrat ekstremne ordinate je tedaj g(x2)a = 4a227 = 12a281
Ekstremni ordinati sta torej plusmn2aradic
39 pri abscisi 2a3
Abscise 2a3 ni težko geometrijsko konstruirati prav tako tudi ne or-
dinate 2aradic
39 ki je 29 razdalje ∣PminusP+∣ = aradic
3 kjer sta Pminus in P+ presečišči
krožnih lokov s središčema v točkahO inD in polmerom ∣OD ∣ To pomeni
da sta točki Pminus in P+ konstruktibilni
Če bi načrtali celotna krajša krožna loka med Pminus in P+ bi dobili med
njima lečast lik ki so mu nekoč rekli rdquovesica piscisrdquo kar dobesedno pomeni
rdquoribji mehurrdquo Lik je bil zelo znan v srednjeveški sakralni umetnosti
Čeprav v de Slusovem času še niso poznali odvoda funkcije v današn-
jem smislu so že vedeli zahvaljujoč Fermatu da ima funkcija v točki
lokalnega ekstrema vodoravno tangento
28
Spremljajoča parabola
Nastajanje krivulje K spremljajo še nekatere druge bolj ali manj znane
krivulje Najprej si oglejmo kaj dobimo če točko O pravokotno projici-
ramo na premice r in spreminjamo parameter t Dobljena projekcija naj
bo R (slika 15)
V prispevku se pogosto sklicujemo na povezavo med smernima koe-
ficientoma premice in pravokotnice nanjo Koeficienta sta si inverzna in
nasprotna Zato zlahka napišemo enačbo premice r in pravokotnice skozi
O nanjo
y = t(xminusaminusat2) y = minusxt
Njuno presečišče R ima koordinati
x(t) = at2 y(t) = minusat
Z izločitvijo parametra t dobimo y2 = ax kar pomeni da točke R pri spre-
minjanju točkeA po premici x = a opišejo parabolo rdquospremljajočo parabolordquo
ki ima gorišče v točki F(a40) in vodnico v z enačbo x = minusa4
Slika 15 De Slusova perla K in spremljajoča parabola
29
Ogrinjače
Ko drsi točka A po premici x = a premice s ogrinjajo neko krivuljo Ks
Premice s so v točki T krivulje K pravokotne na premice skozi O in T
Njeno enačbo dobimo po standardnem postopku Enačba premic s je
F(xyt) = y +xminusat
+at3 = 0
To je enoparametrična družina premic ki ogrinjajo krivuljo Ks imeno-
vano rdquoogrinjačardquo te družine (slika 16) V vsaki točki ogrinjače se jo dotika
ena premica v različnih točkah različne premice družine Enačbo njihove
ogrinjače v implicitni obliki dobimo tako da iz sistema enačb
Slika 16 De Slusova perla K in ogrinjače Ks Kq Kr
F(xyt) = 0partFpartt
(xyt) = 0
izločimo parameter t Iz enačbe
partFpartt
(xyt) = minus(xminusa)t2 +3at2 = 0
30
dobimo najprej xminusa = 3at4 kar vstavimo v prvo enačbo v sistemu in imamo
y = minus4at3 Dobili smo ogrinjačo v parametrični obliki
x(t) = a(1+3t4) y(t) = minus4at3
Izločimo t in enačba iskane ogrinjače Ks v implicitni obliki je pred nami
27y4 = 256a(xminusa)3
Ker je y dobljene krivulje sorazmeren s potenco (x minus a)34 lahko rečemo
da je ogrinjača premic s četrtkubična parabola
Podobno poiščemo ogrinjačo Kq premic q
F(xyt) = yt +xminusaminusat2 = 0partFpartt
(xyt) = y minus2at = 0
Ogrinjača v parametrični obliki je to pot
x(t) = a(1minus t2) y(t) = 2at
Z izločitvijo parametra t dobimo njeno enačbo v implicitni obliki
y2 = minus4a(xminusa)
Dobljena krivulja Kq je parabola z vodnico x = 2a in goriščem v točki O
(slika 16)
Nazadnje po enakem postopku kot doslej poiščemo še ogrinjačo Kr
premic r
F(xyt) = y minus tx+at +at3 = 0partFpartt
(xyt) = minusx+a+3at2 = 0
Ogrinjača v parametrični obliki je potem
x(t) = a(1+3t2) y(t) = 2at3
31
Z izločitvijo parametra t dobimo njeno enačbo še v implicitni obliki
27ay2 = 4(xminusa)3
Dobljena krivulja Kr je polkubična ali Neilova parabola z ostjo v točki
D(a0) kjer ima vodoravno tangento (slika 16) Krivuljo Ks smo up-
ravičeno imenovali četrtkubična parabola Slednja ima v točki D(a0)
navpično tangento
Edinole premice p od tistih ki sodelujejo v konstrukciji točk krivulje
K nimajo ogrinjače Vse premice p namreč potekajo skozi koordinatno
izhodišče O in očitno ne ogrinjajo nobene krivulje
Nožiščne krivulje
Novo krivuljoHprime dobimo če na tangente dane krivuljeH pravokotno pro-
jiciramo izbrano točko Φ Vse projekcije P nožišča točke Φ na tangentah
krivuljeH sestavljajo krivuljoHprime ki jo imenujemo rdquonožiščnardquo ali rdquopedalna
krivuljardquo krivulje H glede na točko Φ
Beseda rdquopedalenrdquo izhaja iz latinske rdquopedalisrdquo kar pomeni rdquonoženrdquo Os-
novna beseda je rdquopesrdquo v rodilniku ednine rdquopedisrdquo kar pomeni rdquonogardquo Od
tod izvirajo tudi besede rdquopedalordquo rdquopedalarrdquo in rdquopedalinrdquo
Poiščimo nekaj nožiščnih krivulj glede na koordinatno izhodišče O
Najprej za krivuljo K ki je poseben primer de Slusove perle Za odvod
v točki T isinK ki ustreza parametru t dobimo
dy
dx(x) =
y
x(t) =
3t2 minus12t
Enačbi tangente v T in pravokotnice skozi O nanjo pa se glasita
y minusat(1minus t2) =3t2 minus1
2t(xminusa(1minus t2)) y =
2t1minus3t2
x
32
Sekata se v točki P s koordinatama
x(t) =a(t2 minus1)2(1minus3t2)
9t4 minus2t2 +1 y(t) =
2at(t2 minus1)2
9t4 minus2t2 +1 (4)
S tem smo našli parametrični enačbi krivulje Kprime (slika 17) Do implicitne
enačbe je dolga pot prek rezultante dveh polinomov spremenljivke t od
katerih je prvi druge drugi pa pete stopnje Najprej opazimo da je v (4)
yx = 2t(1minus 3t2) kar lahko zapišemo kot p(t) = 3yt2 + 2xt minus y = 0 drugo
enačbo pa zapišemo v obliki q(t) = 2at5 minus 9yt4 minus 4at3 + 2yt2 + 2at minus y = 0
Zaradi enostavnosti smo pisali x in y brez argumenta t Da izločimo pa-
rameter t je treba zapisati rdquorezultantordquo R(p(t)q(t)) polinomov p(t) in
q(t) in jo izenačiti z 0 (glej [14])
R(p(t)q(t)) =
RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR
2a minus9y minus4a 2y 2a minusy 0
0 2a minus9y minus4a 2y 2a minusy
3y 2x minusy 0 0 0 0
0 3y 2x minusy 0 0 0
0 0 3y 2x minusy 0 0
0 0 0 3y 2x minusy 0
0 0 0 0 3y 2x minusy
RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR
= 0
Zadnji stolpec je deljiv z y Ker y = 0 ni del iskane nožiščne krivulje pre-
ostane ko izračunamo determinanto in jo okrajšamo z y in preuredimo
27y2(x2 +y2)2 +4ax(x2 minus9y2)(x2 +y2)minus4a2(x2 minusy2)2 = 0
Rezultat je torej algebrska krivulja šeste stopnje Krivulja je simetrična
glede na abscisno os točka O pa je njena posebna točka Za zelo majhne
x in y prevlada zadnji člen kar pomeni da sta premici y = x in y = minusx v O
tangenti na krivuljo
33
Slika 17 Nožiščna krivulja Kprime krivulje K glede na koordinatno izhodišče
Zanka krivulje Kprime nekoliko spominja na srčnico ali kardioido ki jo
opisujejo točke krožnice ki se brez drsenja kotali po enako veliki krožnici
Krivulja Kprime ima še neomejeni del ki se razteza po drugem in tretjem kvad-
rantu Poglejmo kako potuje točka po krivulji v parametrizaciji (4) ko
parameter t teče po številski premici Za t lt minus1 poteka krivulja po tretjem
kvadrantu pri čemer x(t)rarr minusinfin in y(t)rarr minusinfin ko t rarr minusinfin Pri t = minus1 točka
doseže O v obliki osti ki ima za tangento premico y = x Za minus1 lt t lt 0
potuje točka po četrtem kvadrantu doseže točko D pri t = 0 za 0 lt t lt 1
potuje naprej po prvem kvadrantu in pri t = 1 spet doseže O kjer ima
ost s tangento y = minusx nato nadaljuje pot po drugem kvadrantu pri čemer
x(t)rarr minusinfin in y(t)rarrinfin ko trarrinfin
Nožiščna krivulja malo prej obravnavane krivulje Ks glede na točko O
ni nič drugega kot krivulja K Premice s so namreč tangente na Ks nožišča
točke O na njej pa so točke krivulje K Lahko pa to preverimo z računom
34
tako kot smo poiskali nožiščno krivuljo Kprime za K glede na točko O
Za odvod v poljubni točki na Ks ki ustreza parametru t dobimo
dy
dx(x) =
y
x(t) = minus
1t
Enačbi tangente v tej točki in pravokotnice skozi O nanjo pa se glasita
y +4at3 = minus1t(xminusa(1+3t4)) y = tx
Sekata se v točki s koordinatama
x(t) = a(1minus t2) y(t) = at(1minus t2)
To sta ravno parametrični enačbi krivulje K tako da velja Kprimes =K
Podobno ugotovimo tudi da je premica x = a nožiščna krivulja za para-
bolo Kq Premica x = a je tangenta te parabole v temenu V splošnem je
temenska tangenta parabole kar njena nožiščna krivulja glede na gorišče
Ugotovili smo torej da je nožiščna krivulja krivulje Kr spremljajoča para-
bola krivulje K
Ekstremne točke nožiščne krivulje Kprime
Ekstremne točke na zanki krivulje Kprime dobimo iz odvodov
x(t) =2at(1minus t2)(3t2 +1)(9t4 +2t2 minus3)
(9t4 minus2t2 +1)2
y(t) =2a(t2 minus1)(3t2 +1)(3t4 +6t2 minus1)
(9t4 minus2t2 +1)2
Za t = 0 doseže v točki D(a0) abscisa svojo največjo vrednost Za t = plusmn1
poteka krivulja skozi točko O kjer sama sebe preseka pod pravim kotom
ker je yprime(0) = (yx)(plusmn1) = ∓1
35
Najmanjšo absciso na zanki ima krivulja Kprime v točki ki jo določa para-
meter t za katerega velja pogoj 9t4 +2t2 minus3 = 0 To je bikvadratna enačba
katere realni rešitvi sta tplusmn = plusmnradic
2radic
7minus13 ustrezni točki na krivulji pa
izračunamo z enačbama (4) in dobimo
Xplusmn(a(17minus7radic
7)27plusmnaradic
74radic
7minus17227)
Ekstremni ordinati na zanki ima krivulja takrat za tisto vrednost para-
metra t za katerega velja pogoj 3t4 + 6t2 minus 1 = 0 Realni rešitvi te bi-
kvadratne enačbe sta tplusmn = plusmn(3radic
2minusradic
6) 4radic
36 ustrezni točki na krivulji pa
Yplusmn(a(3minusradic
3)3plusmna 4radic123)
Ker v koordinatah ekstremnih točk nastopajo poleg osnovnih aritmetičnih
operacij le kvadratni in bikvadratni (četrti) koreni so te točke konstruk-
tibilne
Cisoida
Spoznali smo enega od načinov pridobivanja novih ravninskih krivulj iz
danih to je z nožišči izbrane točke na tangentah dane krivulje Krivulji
s tem priredimo nožiščno krivuljo glede na izbrano točko Drug tak pre-
prost način kako iz znanih krivulj dobimo nove je cisoidni način Kako
pa ta poteka
Denimo da sta znani krivulji K1 in K2 ter točka O ki ležijo v isti
ravnini Pri tem sta K1 in K2 taki krivulji da vsaka premica p skozi O
ki seka K1 v neki točki T1 seka tudi K2 recimo v točki T2 (slika 18) Za
vsak T1 označimo na p točko T tako da veljaETHOT =
ETHETHT1T2 Ko T1 potuje po
K1 T opiše krivuljo C ki jo imenujemo cisoida krivulj K1 in K2 glede na
točko O Definicije take cisoide se nekoliko razlikujejo od vira do vira
36
Slika 18 Krivulja C je cisoida krivulj K1 in K2 glede na točko O
Dioklova cisoida s katero rešimo problem podvojitve kocke je cisoida
krožnice x2 + y2 = ax in premice x = a glede na koordinatno izhodišče O
Več o cisoidah in njihovi uporabi je napisanega na primer v [8]
Krivulja K je povezana tudi s polkubično ali semikubno ali Neilovo
parabolo poimenovano po Williamu Neilu (1637ndash1680) Parametrični
enačbi (3) lahko zapišemo v vektorski obliki v standardni bazi kot razliko
kolinearnih vektorjev
r(t) = (x(t)y(t)) =ETHOT = (a(1minus t2)at(1minus t2)) = (aat)minus (at2at3)
Vektor r1(t) = (aat) = (a0)+at(01) je enačba premice x = a v parametrični
obliki vektor r2(t) = (at2at3) pa polkubične parabole ki ima enačbo ay2 =
x3 in ost v točkiO Parameter t geometrijsko pomeni tangens naklonskega
kota premice OA (slika 13)
Premica y = tx poteka skozi koordinatno izhodišče O in seka premico
x = a v točkiA(aat) zato jeETHOA = r1 Ista premica seka polkubično parabolo
P ki ima enačbo ay2 = x3 v točki P (at2at3) tako da jeETHOP = r2 S tem je
ETHPA =
ETHOAminus
ETHOP = r1minus r2 = r To pomeni da je r =
ETHOT =
ETHOAminus
ETHOP Potemtakem
je krivulja K cisoida polkubične parabole P z enačbo ay2 = x3 in premice
37
Slika 19 De Slusova perla K kot cisoidna krivulja
x = a glede na točko O (slika 19)
Neilova parabola in ločna dolžina
Neilova ali polkubična parabola ay2 = x3 je bila v zgodovini matematike
pomembna kot ena prvih krivulj za katero so znali izračunati ločno dolžino
Prav prvi je to znal John Wallis (1616ndash1703) leta 1657
Denimo da nas zanima ločna dolžina `(b) te krivulje nad intervalom
[0b] (slika 20) Znano je da lahko uporabimo formulo za ločno dolžino
krivulje ki je dana v eksplicitni obliki
`(b) = intb
0
radic
1+yprime2dx
Pri tem je y = f (x) enačba krivulje in yprime = f prime(x) V našem primeru je y =
38
Slika 20 Neilova ali polkubična parabola
f (x) = plusmnradicx3a Kratek račun nam da yprime2 = 9x(4a) in
`(b) = intb
0
radic
1+9x4adx
Z uvedbo nove integracijske spremenljivke u z relacijo u2 = 1 + 9x(4a)
dobimo
`(b) =8a9 int
c
1u2du =
8a27
(c3 minus1)
pri čemer je c =radic
1+9b(4a)
Leibnizeva izohrona je krivulja po kateri se je leta 1687 vprašal G W
Leibniz Poiskati je treba v navpični ravnini krivuljo po kateri se brez
trenja giblje točkasta masa ki je podvržena konstantnemu težnostnemu
polju tako da je navpična komponenta njene hitrosti ves čas konstantna
Nalogo je prvi rešil C Huygens nizozemski astronom fizik in matema-
tik znan tudi po odkritju Saturnovega satelita Titana in znamenitih Sat-
urnovih obročev ter po izdelavi prve ure na nihalo kar je bilo za tiste čase
velik napredek v merjenju točnega časa
39
Slika 21 Leibnizeva izohrona
Izhodišče O postavimo v najvišjo točko krivulje (slika 21) V tej točki
je horizontalna hitrost premikajoče se mase m enaka 0 Naj bo v0 njegova
navpična hitrost navzdol Os y je vodoravna os x pa usmerjena navz-
dol Potencialno energijo mase računamo nad izbranim nivojem spodaj V
skladu z načelom ohranitve mehanske energije v času t in času 0 potem
velja12mv2(t)+mg(hminusx(t)) =
12mv2
0 +mgh
Pri tem je g težni pospešek Po poenostavitvi dobimo v2(t) = 2gx(t)+ v20
Vektor hitrosti ima v vsakem trenutku med seboj pravokotni komponenti
v(t) = (x(t) y(t)) za t = 0 pa v(0) = (v00) Upoštevamo da je ∣v(t)∣2 =
v2(t) = x2(t) + y2(t) in da je x(t) = v0 pa imamo sistem diferencialnih
enačb
x(t) = v0 y(t) =radic
2gx(t)
ki ga rešimo pri začetnih pogojih x(0) = y(0) = 0 in dobimo
x(t) = v0t y(t) =23
radic2gv0t3
40
Koordinati točk na dobljeni krivulji zadoščajo enačbi
ay2 = x3 a =9v2
0
8g
Pri dani konstanti a je v0 = (23)radic
2ag Iskana krivulja je torej Neilova
parabola Ime izohrona je dobila zato ker točkasta masa po vertikali
v enakih časih prepotuje enake razdalje V grščini beseda ἴσος pomeni
rdquoenakrdquo χρόνος pa rdquočasrdquo
Dolžina ` zanke krivulje K nas pripelje do zapletenega eliptičnega in-
tegrala za katerega zapišimo približno vrednost
` = 2aint1
0
radic9t4 minus2t2 +1dt ≐ 271559186a
Pač pa je dolžina loka ` četrtkubične parabole Ks ogrinjače premic s bolj
prijazna Za dolžino loka od točke D ki ustreza parametru t = 0 do točke
ki ustreza parametru t = α dobimo
` = 12aintα
0t2
radic1+ t2dt =
3a2
(α(1+2α2)radic
1+α2 minus ln(α +radic
1+α2))
Prav tako dolžina loka ` navadne parabole Kq ogrinjače premic q ne
dela težav Za dolžino loka od točke D ki ustreza parametru t = 0 do
točke ki ustreza parametru t = α dobimo
` = 2aintα
0
radic1+ t2dt = a(α
radic1+α2 + ln(α +
radic1+α2))
Za spremljajočo parabolo dobimo prav tako enostaven rezultat za ločno
dolžino od točke O do točke ki ustreza parametru t = α
` = intα
0
radic1+4t2dt =
a4(2α
radic1+4α2 + ln(2α +
radic1+4α2))
Nazadnje zapišimo še ločno dolžino polkubične parabole Kr
` = 6aintα
0tradic
1+ t2dt = 2a((1+α2)radic
1+α2 minus1)
41
Pri vseh zgornjih primerih je parameter t strmina premice p v prvotni
konstrukciji krivulje K
Ploščine in prostornine
Ploščina S lika ki ga omejuje zanka krivulje K je
S =2radica int
a
0xradicaminusxdx
Z uvedbo nove integracijske spremenljivke t z relacijo aminusx = t2 je
S =4radica int
radica
0t2(aminus t2)dt =
4radica int
radica
0(at2 minus t4)dt =
8a2
15
Lahko pa jo izrazimo tudi s splošno formulo ki smo jo izpeljali na začetku
razdelka S to formulo lahko izrazimo še prostornino V telesa ki ga pri
rotaciji okoli osi x opiše lik
V =πa int
a
0x2(aminusx)dx =
πa3
12
To je ravno polovica prostornine krogle s premerom a
Pač pa je izraz za ploščino S prime lika ki ga omejuje zanka krivulje Kprime bolj
zapleten izraz Uporabimo parametrični enačbi (4) in dobimo
S prime = int1
0(x(t)y(t)minus x(t)y(t))dt = 2a2
int
1
0
(1minus t2)3(1+2t2 minus3t4)(9t4 minus2t2 +1)2 dt
Če se zanesemo na računalniško računanje določenih integralov potem je
S prime =2a2
729(3(43πminus28)+52
radic2ln(1+
radic2))
kar je približno S prime ≐ 1059206796a2 Do enakega rezultata pridemo z
navidez enostavnejšo formulo
S prime = 2inta
0y(x)dx
42
toda drugim težjim integralom
S prime = 2int0
1y(t)x(t)dt = minus8a2
int
1
0
t2(1minus t2)3(3t2 +1)(9t4 +2t2 minus3)(9t4 minus2t2 +1)3 dt
Zakaj smo integrirali po parametru t od 1 do 0 Zato ker abscisa x narašča
od 0 do a ko t pada od 1 do 0 Ordinata y pa je pri tem nenegativna (glej
izraza (4))
Tudi izraz za prostornino V prime telesa ki ga pri rotaciji okoli osi x opiše
lik omejen s Kprime je navidez enostaven
V prime =πinta
0y2(x)dx
toda s parametrom t je zapleten a eksaktno izračunljiv
V prime =πint0
1y2(t)x(t)dt = 8πint
1
0
t3(t2 minus1)5(3t2 +1))(9t4 +2t2 minus3)(9t4 minus2t2 +1)4 dt
Za rezultat dobimo
V prime =2πa3
19683(431π
radic2+369+744ln2)
kar je približno V prime ≐ 08936800975a3
Naj bo s tem računanja integralov dovolj V nadaljevanju se bomo
posvetili nekaterim lažjim problemom
Tangenta
Pri krivuljah v koordinatnem sistemu Oxy so pomembni štirje dotikalni
elementi za posamezne točke T odsek na tangenti ∣TA∣ odsek na normali
∣T B∣ subtangenta ∣AT prime∣ in subnormala ∣BT prime∣ (slika 23) Izražajo se takole
∣TA∣ = ∣y
yprime
radic
1+yprime2∣ ∣T B∣ = ∣yradic
1+yprime2∣ ∣T primeA∣ = ∣y
yprime∣ ∣T primeB∣ = ∣yyprime∣
43
Slika 22 Ploščini likov omejenih z zankama krivulj K in Kprime
Pri tem pomeni yprime = f prime(x) če je enačba krivulje y = f (x) Točka T prime je pra-
vokotna projekcija točke T na abscisno os A je presečišče tangente na
krivuljo v točki T z osjo x B pa presečišče normale z osjo x Dotikalni
elementi so posebej definirani tudi za krivulje v polarnih koordinatah
Slika 23 Dotikalni elementi krivulje
De Sluse je za algebrsko krivuljo f (xy) = 0 po svoje našel izraz za sub-
tangento ts to je pravokotno projekcijo odseka na tangenti
44
na os x V današnji pisavi se subtangenta izraža v obliki
ts = minusy
partfparty (xy)
partfpartx (xy)
Za krivuljo K je f (xy) = ay2 minusx2(aminusx) = 0 in
ts =2x(xminusa)3xminus2a
Lotimo se še konstrukcije tangente t in normale n naK v točki T0(x0y0) ne
O ki enolično določa točko A(aay0x0) kot presečišče premice p skozi O
in T0 s premico x = a Skozi A povlecimo vzporednico nprime z normalo n na K
v točki T0 Normala ima smerni koeficient kn = tsy0 oziroma
kn =
partfparty (x0y0)
partfpartx (x0y0)
=2ay0
x0(3x0 minus2a)
Premica nprime ima enačbo
y minusay0
x0=
2ay0
x0(3x0 minus2a)(xminusx0)
in preseka abscisno os v točki T1(x10) za katero po krajšem računu do-
bimo x1 = 2a minus 3x02 Točko T1 in premico nprime zlahka geometrijsko kon-
struiramo Iskana tangenta t v točki T0 je pravokotna na nprime normala n pa
vzporedna z nprime (slika 24)
Inverzija krivulje K na krožnici
Po navadi za ravninske krivulje pogledamo še njihove inverzne slike na
krožnici Inverzija ali zrcaljenje na krožnici x2 + y2 = r2 je ravninska pres-
likava ι definirana s predpisom
ι ∶ (xy)↦ (r2x
x2 +y2 r2y
x2 +y2)
45
Slika 24 Tangenta in normala na krivuljo K
S spreminjanjem polmera r krožnice dobimo med seboj podobne krivulje
Če zrcalimo na krožnici x2 + y2 = a2 krivuljo K ki ima implicitno enačbo
(2) dobimo krivuljo Klowast ki ima enačbo
y4 = minusx3(aminusx)
ki je formalno oblike (2) zam = 4n = 3p = 1 in k = minus1 Dobljena krivuljaKlowast
je simetrična glede na os x ima dve veji abscisa na njej doseže ekstremni
vrednosti v točkah O(00) in D(a0) Ima pa kot bomo videli tudi dve
asimptoti y = xminusa4 in y = minusx+a4 (slika 25)
Krivuljo Klowast se da lepo parametrizirati s parametrom τ če v njeno
enačbo y4 = minusx3(aminusx) vstavimo y = τx Dobimo
x(τ) =a
1minusτ4 y(τ) =aτ
1minusτ4
To sta parametrični enačbi krivulje Klowast
Ko τ uarr minus1 x(τ)rarr minusinfin in y(τ)rarr +infin ko τ darr minus1 x(τ)rarr +infin in y(τ)rarr minusinfin
ko τ uarr +1 x(τ)rarr +infin in y(τ)rarr +infin ko τ darr +1 x(τ)rarr minusinfin in y(τ)rarr minusinfin
46
Slika 25 Inverzna slika Klowast krivulje K
Konstanti k in n poševne asimptote y = kx + n krivulje Klowast dobimo s
formulama
k = limxrarrplusmninfin
y
x n = lim
xrarrplusmninfin(y minus kx)
V našem primeru je
k = limxrarrplusmninfin
y
x= limτrarrplusmn1
τ = plusmn1 n = a limτrarrplusmn1
τ ∓11minusτ4 = ∓
a4
Poševni asimptoti sta torej premici y = plusmn(xminusa4)
Obnašanje krivulje v okolici točke D utemeljimo če zapišemo impli-
citno obliko krivulje nekoliko drugače
y4 = (xminusa)x3 = (xminusa)(a+(xminusa))3 = a3(xminusa)+3a2(xminusa)2+3a(xminusa)3+(xminusa)4
47
Slika 26 Krivulja Klowast in približka v okolici točk O in D
Za x ki je zelo blizu a prevlada na desni prvi člen tako da je y4 asymp a3(xminusa)
Razlika xminusa se torej obnaša približno tako kot bikvadrat ordinate y
V okolici točke O kjer so abscise negativne iz istega razloga velja y4 asymp
minusax3 zato se tam krivulja obnaša približno tako kot četrtkubična parabola
(slika 26)
Inverzija krivulje Kprime na krožnici
Na krožnici x2 + y2 = a2 zrcalimo še krivuljo Kprime nožiščno krivuljo krivulje
K glede na točko O Dobimo dvodelno krivuljo Kprimelowast kakršno vidimo na
sliki 27
Enačba nove krivulje v implicitni obliki je
4(x2 minusy2)2 minus4ax(x2 minus9y2)minus27a2y2 = 0
48
Slika 27 Inverzna slika Kprimelowast krivulje Kprime
Krivulja je algebrska četrte stopnje je simetrična glede na os x ima ost
z vodoravno tangento v točki O skozi točko D pa poteka v blagem loku
Natančneje ugotovimo približni potek krivulje v okolici teh dveh točk če
v zgornji enačbi obdržimo prevladujoče člene V okolici točke O kjer so
abscise negativne je ay2 asymp minus4x327 torej približno tako kot polkubična
parabola V okolici točke D(a0) je y2 asymp minus4a(x minus a) kar pomeni da se
krivulja obnaša približno tako kot parabola
Pritisnjeni krožnici na K
Pritisnjeni krožnici v točki O na krivuljo K sta inverzni sliki asimptot
krivulje Klowast na krožnici x2 + y2 = a2 Preprost račun pokaže da se asimp-
toti krivulje Klowast z inverzijo ι preslikata v krožnici x2 + y2 plusmn4ay minus4ax = 0 ki
imata središči v točkah Splusmn(2aplusmn2a) in polmer 2aradic
2 Sekata se pavokotno
v točkah O in M(4a0) Inverzija ι namreč ohranja kote (slika 28)
49
Slika 28 Pritisnjeni krožnici na krivuljo K v točki O
Ukrivljenost κ(t) krivulje K v točki ki ustreza parametru t brez težav
izračunamo iz njenih parametričnih enačb (3)
κ(t) =2(3t2 +1)
a(1minus2t2 +9t4)32
V posebnem primeru je v točki O to se pravi za t = plusmn1 ukrivljenost enaka
κ(plusmn1) = 1(2aradic
2) zato sta v O polmera pritisnjenih krožnic 1κ(plusmn1) =
2aradic
2 kar se seveda ujema z rezultatom dobljenim z inverzijo na krožnici
Toksoida
Videli smo da je inverzna slika krivulje K krivulja Klowast ki ima enačbo y4 =
minusx3(aminusx) ki je formalno oblike (2) zam = 4n = 3p = 1 in k = minus1 Prav tako
je krivulja ay2 = minusx2(aminus x) ki jo dobimo iz enačbe ay2 = x2(aminus x) krivulje
K če zamenjamo aminus x z x minus a formalno oblike (2) za m = 2n = 2p = 1 in
50
k = minus1a Krivuljo označimo jo s T ki ima enačbo
ay2 = x2(xminusa)
je nemški amaterski matematik samouk in izumitelj Diedrich (tudi Diede-
rich) Uhlhorn (1764ndash1837) imenoval rdquotoksoidardquo V svojem delu [13] obrav-
nava več krivulj in za nekatere tudi opiše mehanske naprave s katerimi
se jih da risati pa tudi njihovo uporabo pri reševanje enačb Beseda rdquotok-
soidardquo izvira iz dveh grških τόξον kar pomeni rdquolokrdquo (kot orožje) pa tudi
rdquopuščicardquo in εἶδος kar med drugim pomeni rdquooblika podobardquo D Uhlhorn
je imenoval krivuljo v nemščini rdquoBogenlinierdquo ker nemški samostalnik rdquoBo-
genrdquo pomeni prav tako rdquolokrdquo Iz besede τόξον smo dobili tudi besede ki
so povezane s strupi kajti bojne puščice so bile često zastrupljene
Slika 29 Toksoida
Toksoida ima tudi izolirano točkoO(00) saj njeni koordinati zadoščata
implicitni enačbi
Iz implicitne enačbe toksoide dobimo z zamenjavo y = tx njeni parametri-
čni enačbi
x(t) = a(1+ t2) y(t) = at(1+ t2) (5)
ki pa ne vključujeta izolirane točke O
51
Toksoida je algebrska krivulja tretje stopnje simetrična glede na os x
ki jo preseka za t = 0 v točki D(a0) kjer ima navpično tangento Krivulja
na prvi pogled ni nič posebnega a že D Uhlhorn je pokazal kako se kon-
struira njene posamezne točke in kako se z njo podvoji kocko
Slika 30 Konstrukcija točk toksoide
Do točke T na toksoidi pridemo takole V koordinatnem sistemu Oxy
za pozitiven a določimo točko D(a0) in skoznjo konstruiramo pravokot-
nico na os x torej premico x = a (slika 30) Na tej premici izberemo točko
A ki jo bomo spreminjali da bomo dobili krivuljo Skozi O in A nato
načrtamo premico p v A pa nanjo pravokotnico q ki seka abscisno os v
točki B V B postavimo na abscisno os pravokotnico r ki preseka premico
p v točki T Ko A potuje po premici x = a točka T opiše toksoido T brez
izolirane točke O
Da res dobimo toksoido T je treba samo zapisati enačbi y = tx premice
p in y = minus(x minus a)t + at premice q ter točki A(aat) in B(a(1 + t2)0) ter
T (a(1+t2)at(1+t2)) Koordinati točke T pa res dasta paramatrični enačbi
52
toksoide
Slika 31 Konstrukcija srednjih geometrijskih sorazmernic s toksoido
Iz podobnih trikotnikov ODA OAB in OBT na sliki 30 sledi relacija
∣OD ∣
∣OA∣=∣OA∣
∣OB∣=
∣OB∣∣OT ∣
kar pomeni da sta ∣OA∣ in ∣OB∣ srednji geometrijski sorazmernici daljic
∣OD ∣ = a in ∣OT ∣ = b Zato lahko izrazimo ∣OA∣ =3radica2b in ∣OB∣ =
3radicab2 na isti
način kot pri (3)
Če imamo že načrtano toksoido T potem srednji geometrijski sorazmer-
nici za a in b gt a dobimo tako da poiščemo presečišče T krožnice s sredi-
ščem v O skozi točko C(b0) in na zgoraj opisan način poiščemo premice
pq in r ter točki A in B (slika 31) Za b = 2a na ta način rešimo problem
podvojitve kocke ∣OA∣ = a 3radic
2
Ukrivljenost κ(t) toksoide T v točki ki ustreza parametru t brez težav
53
izračunamo iz njenih parametričnih enačb (5)
κ(t) =2(3t2 minus1)
a(1+10t2 +9t4)32
Opazimo da ukrivljenost menja predznak pri t = plusmn1radic
3 kar nam da točki
Pplusmn(4a3plusmn4aradic
39) v katerih ima T prevoja s tangentama s smernima koe-
ficientoma plusmnradic
3 Tangenti oklepata z osjo x kota plusmnπ3 Pritisnjena krožnica
v točki D ki ustreza t = 0 ima za polmer 1∣κ(0)∣ = a2 in središče v točki
S(3a20) (slika 32)
Slika 32 Prevoja toksoide T in pritisnjena krožnica v točki D
Prevoja sta konstruktibilna pri čemer si lahko pomagamo z vesico pis-
cis nad daljico OD Njeni točki Vplusmn sta narazen za aradic
3 premici skozi O
in Vplusmn pa določata smeri tangent v prevojih Prav tako je konstruktibilna
točka S V okolici točk D in Pplusmn je ujemanje toksoide s pritisnjeno krožnico
v D in tangentama v prevojih Pplusmn zelo dobro
54
Enačba toksoide T v polarnih koordinatah in ϕ je
(ϕ) =a
cos3ϕ
kar sledi iz njene implicitne oblike
a(x2 +y2) = x3
Pri tem je treba le upoštevati zvezi x2 +y2 = 2 in x = cosϕ
Polarna oblika je zelo primerna za študij inverzije na krožnici s središčem
v točki O in polmerom R Če je namreč lowast polarni polmer invertirane
krivulje mora veljati relacija
(ϕ)lowast(ϕ) =R2
Če izberemo R = a dobimo za inverzno sliko toksoide T krivuljo (slika 33)
T lowast ki ima nasledno enačbo v polarnih koordinatah
lowast(ϕ) = acos3ϕ
Slika 33 Inverzna slika T lowast toksoide T
55
Iz polarne oblike krivulje T lowast hitro izpeljemo še njeno implicitno enačbo
(x2 +y2)2 = ax3
Torej je T lowast algebrska krivulja četrte stopnje
Ploščino S lika ki ga ograjuje krivulja T lowast izračunamo po znani for-
muli
S = 2 sdot12 int
π2
0lowast2(ϕ)dϕ = a2
int
π2
0cos6ϕdϕ = a2 sdot
56
sdotπ2=
5πa2
32
Krivulja T lowast je simetrična glede na os x v točkah O in D ima navpični
tangenti največji odklon od osi x pa doseže v točkah Yplusmn(9a16plusmn3aradic
316)
kjer ima vodoravni tangenti in sicer pri polarnih kotih plusmnπ6
De Slusove pomnoževalke hiperkock
Podvojitev kocke je kot vemo klasični grški geometrijski problem ki se ga
ne da rešiti evklidsko to je samo z neoznačenim ravnilom in šestilom kar
so dokazali šele v 19 stoletju Problem zahteva določiti rob kocke ki ima
prostornino enako dvakratniku prostornine dane kocke To pomeni da
je treba za dano daljico a konstruirati tako daljico b za katero je b = a 3radic
2
Problem podvojitve kocke so Grki znali rešiti na več načinov Eden od njih
je možen s posebno ravninsko krivuljo z Dioklovo cisoido (več na primer
v [7])
Povsem smiselno se je vprašati kako bi pomnožili s faktorjem s gt 0
poljubno r-razsežno hiperkocko z robom a Njena prostornina je ar zato
je b = a rradics rob hiperkocke katere prostornina je s-kratnik prostornine
hiperkocke z robom a Dva primera sta trivialna Za r = 1 imamo daljico
56
njena rdquoprostorninardquo je kar njena dolžina a za r = 2 pa kvadrat čigar rdquopros-
torninardquo je kar njegova ploščina a2 Za r = 3 imamo opraviti z običajno
kocko z običajno prostornino a3 V prvih dveh primerih množenje s fak-
torjem s ni problematično saj s problemom lahko geometrijsko rešimo s
podobnimi trikotniki in z višinskim izrekom v pravokotnem trikotniku
Za r ge 4 si r-razsežno hiperkocko teže predstavljamo ker je ne moremo
realizirati z običajno geometrijo To pa ni ovira pri pomnožitvi take hiper-
kocke s številom s ker moramo znati samo njen rob a geometrijsko pom-
nožiti s številom rradics kar pa lahko naredimo v običajni ravnini V mate-
matični analizi je r-razsežna hiperkocka z robom a na primer kar r-kratni
kartezični produkt intervala [minusa2a2] s samim seboj to je množica
[minusa2a2]r = (x1x2 xr) isinRr ∶ ∣x1∣ le a2 ∣x2∣ le a2 ∣xr ∣ le a2
Oglejmo si de Slusove perle (2) z eksponenti mn =mminus 1 in p = 1 fak-
torjem k = 1 ter a gt 0 pri čemer je m sodo število to se pravi krivulje z
implicitno enačbo
ym = xmminus1(aminusx) (6)
oziroma xm + ym = axmminus1 Pri danem m označimo ustrezno krivuljo s Hm
Med njimi je tudi stara znanka x2 + y2 = ax krožnica s polmerom a2
in središčem v točki S(a20) Skupne vsem krivuljam so točke O(00)
Cplusmn(a2plusmna2) D(a0) ter navpični tangenti v O in D Krivulje Hm so za-
ključene in simetrične glede na os x in se dajo lepo parametrizirati z y = tx
Za vsako dobimo parametrično enačbo
x(t) =a
1+ tm y(t) =
at1+ tm
(7)
Najbolj se taka krivulja oddalji od abscisne osi za t = 1 mradicmminus1 v točkah
Yplusmn(a(mminus1)mplusmnam mradic
(mminus1)mminus1) Za t = 0 dobimo točko D za ∣t∣rarrinfin pa
57
se krivulja bliža točki O Slika 34 kaže nekaj primerov
Slika 34 Nekaj krivulj Hm
Naj bo s poljubno pozitivno število in A(0as) točka na osi y Premica
skozi A in D preseka krivuljo Hm v točkah D(a0) in B(x0y0) za katero
potrebujemo samo razmerje y0x0 Na sliki 35 je izbran eksponent m = 4
Premica skozi A in D ima enačbo xa+sya = 1 iz katere izrazimo aminusx = sy
in vstavimo v enačbo (6) Dobimo ym = ysxmminus1 Ker iščemo točko B s
pozitivno ordinato lahko z y krajšamo in dobimo y0x0 =mminus1radics
Premica skozi O in B ima enačbo y = y0xx0 in preseka premico x = a
v točki C(aay0x0) oziroma C(aa mminus1radics) Zato je ∣DC∣ = ∣OD ∣ mminus1
radics) V
primeru m = 4 in s = 2 je ∣DC∣ = ∣OD ∣3radic
2) kar pomeni da se nam je pos-
rečilo podvojiti trirazsežno kocko Za s = 3 kocko potrojimo za s = 4
početverimo itd Še več zam = 6 in s = 2 podvojimo 5-razsežno hiperkocko
58
za s = 3 jo potrojimo za s = 4 početverimo itd
Slika 35 Krivulja H4 in pomnožitev roba trirazsežne kocke
Lihih m nam ni treba posebej obravnavati ker krivulje Hm ne bi bile
prave de Slusove perle Poleg tega bi tedaj bil mminus 1 sodo število denimo
m minus 1 = 2αq z naravnim α in lihim q Korenjenje se potem da izvesti z
α-kratnim kvadratnim korenjenjem in enim q-tim korenjenjem s krivuljo
Hq+1 kakor smo zgoraj opisali
Drug način za pomnožitev hiperkock poteka s cisoidami Cm krivuljHm
in premice x = a Pri parametru t premica y = tx preseka premico x = a
v točki C(aat) točka B pa ima tedaj koordinati dani z parametričnima
enačbama (7) S koordinatami točk B in C imamo takoj
ETHBC = (aminus
a1+ tm
at minusat
1+ tm) = (
atm
1+ tmatm+1
1+ tm)
59
Slika 36 Nekaj krivulj Cm
Da bo točka T na cisoidi Cm mora veljati zvezaETHOT =
ETHBC Potemtakem ima
Cm parametrični enačbi
x(t) =atm
1+ tm y(t) =
atm+1
1+ tm (8)
Ker je t = yx dobimo še implicitno enačbo krivulje Cm
xm+1 = ym(aminusx) (9)
oziroma x(xm+ym) = aym Krivulje so za sodem definirane nad intervalom
60
[0a) so simetrične glede na os x imajo za asimptoto premico x = a in
potekajo skozi koordinatno izhodišče O in točki Cplusmn(a2plusmna2) Asimptoti
se krivulja bliža ko ∣t∣ rarr infin V točki O pri t = 0 imajo ost z vodoravno
tangento Za m = 2 dobimo staro znanko Dioklovo cisoido
Slika 37 Krivulja C4 in pomnožitev roba 5-razsežne hiperkocke
Izberimo sedaj na ordinatni osi točko A(0as) pri čemer je s pozi-
tivno število in vzemimo premico skozi točki A in D (slika 37) Ta ima
enačbo xa + y(as) = 1 iz katere izrazimo a minus x = ys Premica preseka
cisoido Cm v točki M(x0y0) s pozitivno ordinato Iz enačb premice skozi
A in D in (9) dobimo y0x0 = m+1radics Premica skozi točki O in M ima
enačbo y = y0xx0 in preseka premico x = a v točki E(aa m+1radics) Torej velja
61
zveza ∣DE∣ = ∣OD ∣ m+1radics kar pomeni da smo našli rob (m + 1)-razsežne
hiperkocke ki ima za prostornino s-kratnik prostornine dane (m + 1)-
razsežne hiperkocke
Naj bo Sm ploščina lika ki ga omejuje krivulja Hm in Qm ploščina
neomejenega lika ki ga omejuje krivulja Cm z asimptoto Ni ju težko
izraziti
Pm =a2(mminus1)πm2 sin π
m Qm =
a2(m+1)πm2 sin π
m
Nadalje naj bo Vm prostornina telesa ki nastane z rotacijo krivulje Hm
okoli osi x Wm pa prostornina neomejenega telesa ki nastane z rotacijo
krivulje Cm okoli osi x Prav tako ju ni težko izraziti
Vm =2a3(mminus1)(mminus2)π2
3m3 sin 2πm
Wm =2a3(m+1)(m+2)π2
3m3 sin 2πm
Ploščine in prostornine so poleg drugega zanimale že matematike v
17 stoletju zlasti C Huygensa Izračunajmo prostornino telesa Um ki
nastane z rotacijo lika med cisoido in njeno asimptoto okoli te asimptote
(slika 38) Uporabili bomo sodobne zapise in Eulerjevi funkciji B in Γ ki
ju C Huygens še ni mogel poznati Presek nastalega telesa na višini y je
krog s polmerom aminusx in ploščino π(aminusx)2 Upoštevamo še simetrijo lika
glede na os x uporabimo parametrično obliko (8) in nastavimo integral
Um = 2πintinfin
0(aminusx(t))2y(t)dt = 2πa3
int
infin
0
tm(tm +m+1)(1+ tm)4 dt
ki ga lahko izrazimo v obliki
Um = 2πa3(I2 + (mminus1)I3 minusmI4)
pri čemer je
Ik = intinfin
0
dt
(1+ tm)k
62
ki ima za m ge 2 in k ge 1 končno vrednost S substitucijo u = 1(1 + tm)
dobimo
Ik =1m int
1
0ukminus1minus1m(1minusu)1mminus1du =
1m
B(kminus1m1m) =Γ(k minus1m)Γ(1m)
mΓ(k)
Na koncu je rezultat zelo preprost
Um =2π2a3(m2 minus1)
3m3 sin πm
Prve tri prostornine so
U2 =π2a3
4 U4 =
5radic
2π2a3
32 U6 =
35π2a3
162
Slika 38 Telo nastalo z zasukom lika med krivuljo C2 in njeno asimptoto
okoli te asimptote
Izračunajmo prostornino telesa Um ki nastane z rotacijo lika med cisoido
in njeno asimptoto okoli osi y (slika 39) Presek nastalega telesa na višini y
63
je krožni kolobar z notranjim polmerom x in zunanjim polmerom a ki ima
ploščino π(a2minusx2) Upoštevamo še simetrijo lika glede na os x uporabimo
parametrično obliko (8) in nastavimo integral
Um = 2πintinfin
0(a2 minusx2(t))y(t)dt = 2πa3
int
infin
0
tm(tm +m+1)(2tm +1)(1+ tm)4 dt
ki ga lahko izrazimo z zgoraj vpeljanimi integrali Ik v obliki
Um = 2πa3(2I1 + (2mminus3)I2 minus (3mminus1)I3 +mI4)
Na koncu dobimo za rezultat
Um =2π2a3(m+1)(2m+1)
3m3 sin πm
Prve tri prostornine so
U2 =5π2a3
4 U4 =
15radic
2π2a3
32 U6 =
91π2a3
162
V 17 stoletju so se zanimali tudi za težišča homogenih likov in teles
Lik ki ga omejuje krivulja Hm ima težišče na abscisni osi oddaljen za xT
od osi y Da bi lahko poiskali xT moramo najprej izračunati za ta lik
moment
Mm = 2inta
0xy dx = 2int
0
infinx(t)y(t)xdt = 2a3mint
infin
0
tm
(1+ tm)4 dt
Izrazimo z integrali Ik in dobimo
Mm = 2a3m(I3 minus I4) =πa3(mminus1)(2mminus1)
3m3 sin πm
Abscisa težišča lika je potem kvocient momenta Mm in ploščine Sm
xT =(2mminus1)a
3m
64
Slika 39 Telo nastalo z zasukom lika med krivuljo C2 in njeno asimptoto
okoli osi y
Lik omejen s krivuljo Cm ima težišče na abscisni osi oddaljen za xC
od osi y Da bi poiskali xC uporabimo kar PaposndashGuldinovo pravilo za
prostornino vrtenine
2πxC sdotQm = Um
kjer je Qm ploščina lika ki ga rotiramo okoli osi y Rezultat je proti vsem
pričakovanjem zelo preprost
xC =(2m+1)a
3m
Poznoantični matematik Papos iz Aleksandrije (290ndash350) v grščini Πάπ-
πος ὁ Αλεξανδρεύς v latinščini Pappus je pomemben ker je zbral prak-
tično vse dotakratno matematično znanje Grkov in dodal še marsikaj svo-
65
jega Njegovo najpomembnejše delo je rdquoZbirkardquo v grščini Συναγωγή Uk-
varjal se je tudi s klasičnimi grškimi geometrijskimi problemi
Jezuit Paul Guldin (1577ndash1643) je bil švicarski matematik in astronom
profesor matematike na Dunaju in v Gradcu Pred tem je študiral v Rimu
Skupaj s Paposom je znan
po pravilih za izračun prostornine rotacijskega telesa in površine rotacij-
ske ploskve
Slika 40 Telo nastalo z zasukom lika ki ga omejuje H4 okoli osi y
ProstorninaXm vrtenine ki nastane z rotacijo lika omejenega s krivuljo
Hm okoli osi y je po PaposndashGuldinovem pravilu za prostornino enaka
Xm = 2πxT sdot Pm = 2π(2mminus1)a
3msdota2(mminus1)πm2 sin π
m=
2π2a3(2mminus1)(mminus1)3m3 sin π
m
Slika 40 kaže vrtenino za primer krivulje H4 Podobne slike bi dobili tudi
za druge Hm
Če isti lik rotiramo okoli premice x = a tangente na krivuljo Hm v
točki D dobimo vrtenino s prostornino Ym ki jo izračunamo prav tako
66
po PaposndashGuldinovem pravilu za prostornino in dobimo
Ym = 2π(aminusxT ) sdot Pm = 2π(m+1)a
3msdota2(mminus1)πm2 sin π
m=
2π2a3(m2 minus1)3m3 sin π
m
Opazimo da je prostornina Ym enaka prostornini Um telesa ki nastane
z rotacijo lika med krivuljo Cm in njeno asimptoto okoli te asimptote
Dokler ni bil razvit infinitezimalni račun kakršnega poznamo danes
so računali ploščine težišča prostornine in površine za vsak primer pose-
bej Veliko so se v 17 stoletju pa tudi že prej znani matematiki ukvarjali
s cikloido na primer N Kuzanski M Mersenne G Galilei G P de Rober-
val C Wren G Cardano B Pascal I Newton G W Leibniz C Huygens
je neko njeno lastnost uporabil pri izdelavi ure na nihalo
Evdoksova kampila
Oglejmo si naslednjo konstrukcijo točk krivulje V točki D(a0) pri čemer
je a gt 0 postavimo pravokotnico p na abscisno os Na p izberemo točko
A ki jo bomo kasneje premikali po tej premici Skozi O in A načrtamo
premico q in skozi A krožnico s središčem v koordinatnem izhodišču O
Krožnica preseka abscisno os v točkah B in Bprime ki sta simetrični glede na
točko O V B in Bprime konstruiramo pravokotnici r in rprime na os x ki presekata
p v točkah T in T prime ki sta tudi simetrični glede na točko O Ko teče točka
A po premici p opišeta T in T prime dvodelno krivuljo ki so jo poimenovali
rdquoEvdoksova kampilardquo Točka T opiše njeno desno vejo T prime pa levo Krivulja
je očitno simetrična glede na obe koordinatni osi (slika 41)
Enačbo desne veje dobljene Evdoksove kampile je najlaže najprej izraz-
iti v polarnih koordinatah nato pa še v implicitni obliki v pravokotnih
67
Slika 41 Konstrukcija točk Evdoksove kampile
kartezičnih koordinatah Za polarni kot ϕ vzamemo naklonski kot pre-
mice q za polarni radij pa razdaljo ∣OT ∣ (slika 41) Najprej očitno veljata
zvezi ∣OA∣ = ∣OD ∣cosϕ = acosϕ in = ∣OT ∣ = ∣OB∣cosϕ = ∣OA∣cosϕ iz
katerih dobimo = acos2ϕ tako da je nazadnje pri pogoju minusπ2 ltϕ ltπ2
polarna enačba desne veje Evdoksove kampile
(ϕ) =a
cos2ϕ (10)
Obe veji krivulje imata implicitno obliko
a2(x2 +y2) = x4 (11)
ki jo dobimo iz polarne oblike z upoštevanjem zvez 2 = x2 + y2 in cosϕ =
x Krivulja v obliki (11) ima izolirano točko O(00) ki je posledica del-
jenja z ki je lahko tudi enak 0 Evdoksova kampila je algebrska krivulja
četrte stopnje
Z Evdoksovo kampilo se da podvojiti kocko Načrtamo krožnico s
središčem v točkiD in polmerom a Njena enačba je x2+y2 = 2ax Vstavimo
68
Slika 42 Podvojitev kocke z Evdoksovo kampilo
2ax namesto x2 + y2 v (11) in dobimo enačbo x4 minus2a3x = x(x3 minus2a3) = 0 ki
ima realni rešitvi x0 = 0 in x1 = a 3radic
2 V prvem kvadrantu se krožnica in
Evdoksova kampila sekata v točki T (a 3radic
2aradic
2 3radic
2minus 3radic
4) kar pomeni da
ima točka T absciso
∣T0T ∣ = b = a 3radic2
Kocka z robom b ima prostornino b3 = 2a3 torej dvakratnik prostornine
kocke z robom a
Grška beseda καμπύλος pomeni rdquokriv zavit upognjenrdquo v ženski ob-
liki καμπύλη beseda γραμμή pa rdquočrta potezardquo Polno ime krivulje je v
grščini καμπύλη γραμμή torej rdquokriva črtardquo na kratko so jo poimenovali kar
rdquokampilardquo kateri so dodali še Evdoksovo ime Evdoks iz Knida (408ndash355
pnš) Εὔδοξος ὁ Κνίδιος je bil starogrški matematik in astronom Bil je
Arhitov učenec v Tarentu grško Τάρας in Platonov na Akademiji v Ate-
nah Obiskal je tudi Sicilijo in Egipt Kasneje je ustanovil svojo šolo v
Kiziku grško Κύζικος ob Mramornem morju ali Propontidi grško Προ-
ποντίς Pomemben je njegov doprinos v teoriji razmerij in nesoizmerljivih
količin kar je uporabil Evklid Εὐκλείδης v svojih Elementih Στοιχεῖα
69
Grška beseda εὔδοξος pomeni med drugim rdquosloveč slaven ugledenrdquo
V astronomiji je Evdoks zagovarjal geocentrični svetovni sistem in za
pojasnitev gibanja planetov in Lune uvedel sistem koncentričnih sfer ki
se vrtijo ena v drugi S tem v zvezi je uvedel še eno krivuljo ki jo poznamo
pod imenom rdquoEvdoksova hipopedardquo
Problem podvojitve kocke je na svojevrsten način s torusom valjem
in stožcem rešil pitagorejec in vojaški poveljnik Arhitas iz Tarenta v južni
Italiji grško Αρχύτας ὁ Ταραντίνος rojen med letoma 435 in 410 umrl
pa med letoma 360 in 350 pnš Morda je Evdoks Arhitovo prostorsko
rešitev problema podvojitve kocke poenostavil na reševanje v ravnini in
tako prišel do svoje kampile Dokazano to ni nikjer ve se le da mu je
rešitev uspelo najti z neko krivuljo Način reševanja pa je podoben reše-
vanju z Uhlhornovo toksoido ki ima tudi podobno enačbo v polarni obliki
(ϕ) = acos3ϕ
Tako Uhlhornova toksoida kot Evdoksova kampila spadata v skupino
Clairautovih krivulj = acosnϕ ali = asinnϕ Če je n racionalno število
je Clairautova krivulja algebrska Alexis Claude Clairaut (1713ndash1765) je
bil francoski matematik in astronom
Evdoksovo kampilo brez izolirane toke O parametriziramo kar s po-
larnim kotom
x(ϕ) =a
cosϕ y(ϕ) =
asinϕcos2ϕ
Njena ukrivljenost κ(ϕ) se izraža v obliki
κ(ϕ) =cos3ϕ(3sin2ϕ minus1)
a(3sin2ϕ +1)32
Ukrivljenost spremeni predznak pri kotu ϕ za katerega je 3sin2ϕ minus1 = 0
V takih točkah ima krivulja prevoje Evdoksova kampila ima štiri in sicer
70
Slika 43 Desna veja Evdoksove kampile prevoja in pritisnjena krožnica
v točkah (plusmnaradic
62plusmnaradic
32) Strmini tangent v teh točkah sta plusmn2radic
2 Os x
presekata za desno vejo v točki G(3aradic
680) Krivinski polmer v točkah
D inDprime je enak a Središče pritisnjene krožnice v točkiD je v točki S(2a0)
Približno ujemanje krivulje tangent v prevojih Pplusmn in pritisnjene krožnice v
temenu D kaže slika 43 Ujemanje bi lahko izkoristili za približno podvo-
jitev kocke Če namesto Evdoksove kampile vzamemo kar njeno tangento
y = 2radic
2(xminusaradic
62)+aradic
32
v prevoju v prvem kvadrantu in poiščemo absciso ξ presečišča s krožnico
x2 +y2 = 2ax dobimo
ξa=
118
radic
24radic
6minus23+
radic6
3+
19≐ 1259956951
namesto točnejše vrednosti
3radic
2a
≐ 1259921049
71
Če bi podoben račun naredili za Uhlhornovo toksoido ki se v prevojih
tudi približno ujema s tangentama bi dobili slabši rezultat
Zgoraj opisani približek lahko izkoristimo za precej natančno evklid-
sko konstrukcijo roba b podvojene kocke z robom a V koordinatnem sis-
temu Oxy narišemo krožnico s polmerom a s središčem v točki D(a0)
skozi O pa konstruiramo premico p z naklonskim koeficientom k = 2radic
2
Na abscisni osi konstruiramo točkoG(3aradic
680) in skoznjo premico q vz-
poredno s p Presečišče te premice s krožnico je točka T njena pravokotna
projekcija na os y pa točka T0 Razdalja b = ∣T0T ∣ je dober približek za
a 3radic
2 (slika 44) Pri tem izkoristimo izraza za diagonalo kvadrata in višino
enakostraničnega trikotnika v katerih nastopataradic
2 inradic
3 s kombinacijo
obeh pa šeradic
6 Podrobnosti so izpuščene z malo truda lahko konstrukcije
izvede vsak sam
Slika 44 Približna podvojitev kocke
Zrcalno sliko Evdoksove kampile (11) na krožnici x2 + y2 = a2 takoj
dobimo iz polarne oblike njene desne veje lowast(ϕ) = acos2ϕ Z zapisom v
pravokotnih kartezičnih koordinatah dobimo implicitno obliko za celotno
prezrcaljeno krivuljo
(x2 +y2)3 = a2x4
72
Krivulja je algebrska šeste stopnje Simetrična je glede na obe koordinatni
osi Njeni največji odkloni od osi x so pri polarnih kotih ϕ za katere je
3sin2ϕ = 1 to je v točkah (plusmn2aradic
69plusmn2aradic
39) kjer ima krivulja vodo-
ravni dvojni tangenti
Slika 45 Zrcaljenje Evdoksove kampile na krožnici
Nova krivulja spada med Clairautove Ploščina P obeh delov jajčastih
oblik je
P = 4 sdota2
2 intπ2
0cos4ϕdϕ = 2a2 sdot
34
sdotπ2=
3πa2
8
Problem podvojitve kocke grško διπλασιασμός τοῦ κύβου ali deloški
problem poimenovan po grškem otoku Delosu v Egejskem morju je reše-
valo več grških geometrov ki so celo skušali izdelati v ta namen posebno
orodje Platon je pograjal Evdoksove Arhitove in Menajhmove učence
češ da njihovi napori kvarijo kar je dobrega v geometriji Nastal je celo
epigram (puščica zbadljivka) v zvezi s podvojitvijo kocke ki je zapisan v
Evtokijevih komentarjih k Arhimedovi razpravi rdquoO krogli in valjurdquo grško
Περὶ σφαίρας καὶ κυλίνδρου Matematik in neoplatonist Evtokij iz Aškalona
v Palestini Εὐτόκιος ὁ Ασκαλονίτης je bil poznoantični matematik rojen
73
okoli leta 480 umrl pa je okoli leta 520 O njem se ve bore malo Nekaj
časa je deloval v Atenah nazadnje pa v Aleksandriji Napisal je tudi ko-
mentarje k Apolonijevi razpravi rdquoStožnicerdquo v grščini Κωνικά Na stožnice
se je v srednjem kar nekoliko pozabilo zanimanje zanje je spet oživelo
šele v času Keplerja in Newtona ko je bil potreben opis gibanja planetov
v heliocentričnem svetovnem sistemu
Navedimo omenjeni epigram v grščini in v prevodu S Weiss (vzeto iz
obsežnega knjižnega dela v treh delih [3])
Μηδὲ σύ γrsquo Αρχύτεω δυσμήχανα ἔργα κυλίνδρων
μηδὲ Μεναιχμείους κωνοτομεῖν τριάδας
διζήσηι μηδrsquo εἴ τι θεουδέος Εὐδόξοιο
καμπύλον ἐν γραμμαῖς εἶδος ἀναγράφεται
Težkih Arhitovih del s cilindri nikar ne posnemaj
stožnic Menajhmovih treh nikdar izsekal ne boš
niti ne boš spoznal če božanskega črte Evdoksa
res zarišejo lik tak iz zavitih kampil
Videli smo kaj vse se da povedati o neki krivulji če obvladamo in-
finitezimalni račun Seveda nam je to sedaj ko imamo na voljo najnovejše
pripomočke in obsežno ter dostopno matematično literaturo veliko laže
kot je bilo matematikom v 17 stoletju ko so v marsičem še orali ledino
Pomembni znanstveniki rojeni v 17 stoletju
Navedimo nekaj pomembnih znanstvenikov predvsem matematikov fizi-
kov in astronomov ki so se rodili v 17 stoletju Razvrščeni so po letnicah
74
rojstva Veliko podatkov dobimo v [1 5] in na svetovnem spletu
Gilles Personne de Roberval (1602ndash1675)
Pierre de Fermat (1607ndash1665)
Giovanni Alfonso Borelli (1608ndash1679)
Evangelista Torricelli (1608ndash1647)
John Pell (1610ndash1685)
Johann Hevel (1611ndash1687)
Frans van Schooten (1615ndash1660)
Carlo Renaldini (1615ndash1698)
John Wallis (1616ndash1703)
Henry Oldenburg (1618ndash1677)
Michelangelo Ricci (1619ndash1682)
William Brouncker (1620ndash1684)
Edmeacute Mariotte (1620ndash1684)
Jean Picard (1620ndash1682)
Vincenzo Viviani (1622ndash1703)
Reneacute-Franccedilois de Sluse (1622-1685)
Blaise Pascal (1623ndash1662)
Giovanni Domenico Cassini (1625ndash1712)
Robert Boyle (1627ndash1691)
Christiaan Huygens (1629ndash1695)
Isaac Barrow (1630ndash1677)
Ehrenfried Walther von Tschirnhaus (1631ndash1708)
Christopher Wren (1632ndash1723)
Johann Hudde (1633ndash1704)
Robert Hooke (1635ndash1703)
75
William Neile (1637ndash1670)
James Gregory (1638ndash1675)
Philippe de la Hire (1640ndash1719)
Isaac Newton (1643ndash1727)
Olaus Roslashmer (1644ndash1710)
Gottfried Wilhelm Leibniz (1646ndash1716)
Denis Papin (1647ndash1712)
Michel Rolle (1652ndash1719)
Pierre Varignon (1654ndash1722)
Jacob Bernoulli (1655ndash1705)
Edmund Halley (1656ndash1742)
Guillaume Franccedilois Antoine LrsquoHocircpital (1661ndash1704)
David Gregory (1661ndash1708)
Abraham de Moivre (1667ndash1754)
Johann Bernoulli (1667ndash1748)
Jacopo Francesco Riccati (1676ndash1754)
Giulio Carlo Fagnano (1682ndash1766)
Roger Cotes (1682ndash1716)
Reneacute Antoine Reacuteaumur (1683ndash1757)
Greacutegoire de Saint-Vincent (1584ndash1667)
Brook Taylor (1685ndash1731)
Gabriel Daniel Fahrenheit (1686ndash1736)
Colin Maclaurin (1698ndash1746)
Pierre Louis Moreau de Mapertuis (1698ndash1759)
76
Viri
[1] I Asimov Biografska enciklopedija znanosti in tehnike Tehniška za-
ložba Slovenije Ljubljana 1978
[2] J Bair V Henry Sluse ses perles et son algorithme Losanges 14
(2011) str 14ndash18 httphdlhandlenet2268100155 (videno 10
7 2021)
[3] G Kocijančič (urednik) Fragmenti predsokratikov Študentska za-
ložba Ljubljana 2012
[4] G Loria Spezielle algebraische und transscendente ebene Kurven
Teubner Leipzig 1902
[5] U C Merzbach C B Boyer A History of Mathematics John Wiley amp
Sons Hoboken New Jersey 2011
[6] J J OrsquoConnor E F Robertson Reneacute Franccedilois Walter de Sluze MacTu-
tor
httpsmathshistoryst-andrewsacukBiographiesSluze
(videno 10 7 2021)
[7] B von Pape Von Eudoxus zu Uhlhorn Books on Demand Norderstedt
2019
[8] M Razpet Pomnožitev hiperkocke Obzornik mat fiz 68 (2021) št 1
str 1-9
[9] M Razpet in N Razpet Prepogibanje papirja podvojitev kocke in
Slusova konhoida Obzornik mat fiz 67 (2020) št 2 str 41-51
77
[10] Y Renotte Reneacute de Sluze dialogues avec Christiaan Huygens
Bulletin de lrsquouniversiteacute du 3e acircge - Liegravege 23 (2021) 4 strani
httphdlhandlenet22682596400 (videno 10 7 2021)
[11] R F Slusius Mesolabum seu duaelig mediaelig proportionales inter ex-
tremas datas per circulum et ellipsim vel hyperbolam infinitis modis
exhibitaelig Leodii Eburonum Liegravege 1659
[12] R F Slusius Mesolabum seu duaelig mediaelig proportionales inter ex-
tremas datas per circulum et per infinitas hyperbolas vel ellipses et
per quamlibet exhibitaelig ac problematum omnium solidorum effectio
per easdem curvas Leodii Eburonum Liegravege 1668
[13] D Uhlhorn Entdeckungen in der houmlhern Geometrie theoretisch und
practisch abgehandelt Schulzersquosche Buchhandlung Oldenburg 1809
[14] I Vidav Algebra Mladinska knjiga Ljubljana 1972
Avtor se zahvaljuje prof dr Milanu Hladniku za strokovni pregled
copy(2021) Marko Razpet
78
goryjem M Riccijem J Wallisom in H Oldenburgom Tako je lahko
izražal svoje ideje je pa zaradi drugega dela malo objavljal H Olden-
burg je bil tista leta tajnik Kraljevega društva v Londonu katerega član
je de Sluse postal leta 1674 Oldenburg je de Slusove zamisli posredoval
neposredno angleškim učenjakom in drugim članom kot je bilo takrat v
navadi Do njih je prišlo skoraj 80 pisem izmenjanih med letoma 1667
in 1676 De Slusovo korespondenco je leta 1884 objavil matematik C Le
Paige iz Liegravegea S tem je de Slusovo znanstveno delo postalo širše znano
De Sluse je umrl 19 marca 1685 v Liegravegu ravno tistega leta ko se je začel
spor med Newtonom in Leibnizem glede tega kdo je avtor infinitezimal-
nega računa Pokopali so ga v kolegijski cerkvi v Viseacuteju v bližini njegovih
staršev Družinski mavzolej je obstajal do 14 avgusta 1914 ko je nemška
vojska požgala kolegijsko cerkev sv Martina in sv Hadelina V kolegijski
cerkvi v Viseacuteju je ob levem stranskem oltarju spominska plošča ki govori
o slavnem prebivalcu Viseacuteja iz 17 stoletja kanoniku Reneacuteju-Franccediloisu
de Slusu Mesti Viseacute in Liegravege sta mu posvetili ulici Rue de Sluse mesto
Bassenge zahodno od Viseacuteja pa pot Chemin de Sluse
Matematične teme ki jih je obravnaval de Sluse so bile povezane z
znanstvenimi interesi tistega časa Po eni strani so bili geometrijski prob-
lemi ki segajo v čas Evklida in Arhimeda oživljeni v drugi polovici 16
in prvi polovici 17 stoletja Zlasti Cavalieri je razvil teorijo nedeljivih
količin ki je imela določen vpliv na razvoj matematične analize Po drugi
strani pa se je približno v istem času ko se je začela razvijati algebra po
zaslugi F Viegraveta ki je uvedel algebrski jezik in predvsem R Descartesa
in njegovega dela rdquoLa Geacuteomeacutetrierdquo zelo povečalo zanimanje za geometrijo
Združitev teh dveh tokov je de Slusa in številne druge matematike njego-
vega časa pripeljal do tega da so se začeli zanimati za geometrijske last-
9
Slika 3 Mesolabum druga izdaja 1668
nosti analitično definiranih krivulj predvsem algebrskih pa tudi spiral in
cikloid ki so bile takrat modne teme Pomembni problemi v tistih časih so
bili kako definirati in konstruirati tangento na krivuljo kako izračunati
ploščino lika ki ga ograjuje taka krivulja kako izračunati njeno dolžino
in kako izračunati prostornino in površino teles ki niso omejena samo z
ravninskimi ali sferičnimi liki G W Leibniz je pri de Slusu in Descartesu
našel marsikatero idejo pri razvoju infinitezimalnega računa in analitične
geometrije Ni čudno da je Huygens v nekem v pismu H Oldenburgu
dal o de Slusu naslednje mnenje rdquoSlusius eotilde geometrarum quos novi
omnium doctissimus candidissimusquerdquo rdquoSluse je od geometrov kar jih
poznam najbolj učen in jasenrdquo
10
Prav tako so bili v de Slusovem času še vedno aktualni problemi reše-
vanja algebrskih enačb tretje in četrte stopnje čeprav so to znali že itali-
janski matematiki S del Ferro N Tartaglia G Cardano in L Ferrari Še
vedno pa so bili živi antični problemi kvadrature kroga trisekcije kota in
podvojitve kocke s katerimi so se ubadali grški geometri Kot je znano gre
pri problemu podvojitve kocke za konstrukcijo kocke s prostornino ki je
dvakrat večja od prostornine dane kocke Problema se ne da rešiti z neoz-
načenim ravnilom in šestilom kot si je zamislil Platon pač pa s pomočjo
nekaterih algebrskih krivulj ali pa s posebnimi mehanskimi napravami
De Sluse je obravnaval geometrijsko reševanje algebrskih enačb tretje in
četrte stopnje z uporabo presečišč stožnic Descartes je pokazal da se
problem lahko rešuje z iskanjem presečišč parabole in krožnice de Sluse
pa je pokazal da lahko parabolo nadomestimo s katerokoli stožnico kar
se je izkazalo za veliko bolj prilagodljivo in elegantno kot Descartesova
metoda Svojo metodo je pod velikim vplivom Viegravetovih in drugih del
razvil v delu rdquoMesolabumrdquo (1659) še posebej v njegovi drugi izdaji (1668)
Celotna naslova izdaj nista popolnoma identična (glej [11 12]) Razvil je
tudi postopek za iskanje subtangente in s tem tangente katerekoli alge-
brske krivulje in to brez uporabe odvoda funkcije kakršnega poznamo
dandanes
Na sliki 3 opazimo v letnici izdaje de Slusovega Mesolabuma tudi malo
drugačen zapis rimskih številk za 500 in 1000 Navajeni smo ju pisati v
obliki D in M Namesto D so svoj čas pisali I in narobe obrnjen C torej
I C kar je skoraj D Za M pa CI C Število I Cje druga polovica od CI C
kar je v soglasju z dejstvom da je 500 polovica od 1000 Razlog za tako
pisavo sega v čas starih Grkov Etruščanov in Rimljanov Baje so nekoč
uporabljali za 1000 črko Φ iz katere se je razvila oznaka CI C iz te pa M
11
Eratostenov mesolabum
Beseda rdquomesolabumrdquo je zelo stara Izvira iz grške besede μεσολάβος (morda
tudi iz μεσολάβον) ki je v antiki pomenila posebno geometrijsko orodje
za določevanje prve in druge srednje geometrijske sorazmernice Beseda
izvira iz grške μέσος kar pomeni rdquosrednjirdquo in λαμβάνω kar pomeni rdquovza-
mem primem zgrabim pograbim popadem ulovimrdquo Glagolska os-
nova je λαβ- je tista iz katere izhajata nedoločnik λαβεῖν in aorist λάβον
Mesolabum je potemtakem tisto s čimer lovimo sredino lovilec sredin
Podobna beseda je rdquoastrolabrdquo starodavna astronomska naprava za določe-
vanje položaja zvezd v grščini ἀστρολάβον ὄργανον
V grških besedilih je glagol λαμβάνω eden od osnovnih in kot tak zelo
pomemben V taki ali drugačni obliki je zato zelo pogost Za primer
navedimo iz Odiseje (XXIV 397ndash399 prevod A Sovregrave )
ὣς ἄρ ἔφη Δολίος δv ἰθὺς κίε χεῖρε πετάσσας
ἀμφοτέρας ᾿Οδυσεῦς δὲ λαβὼν κύσε χεῖρv ἐπὶ καρπῷ
καί μιν φωνήσας ἔπεα πτερόεντα προσηύδα
To je dejal Približa se Dolios rok mu razpetih
prime gospoda v zapestju roko mu ginjen poljubi
z glasom obrne se k njemu pa reče krilate besede
V latinščini imenujejo mesolabum tudi rdquomesolabiumrdquo kar se čudno
sliši ker beseda rdquolabiumrdquo pomeni ustnica Iz besede rdquolabiumrdquo so izvedene
še druge V fonetiki imamo glasove ki jih sooblikujemo z ustnicami in se
zato imenujejo rdquolabialirdquo na primer rdquoprdquo in rdquobrdquo
12
Mesolabum je iznašel Eratosten iz Kirene (276ndash195 pnš) grško ᾿Ερα-
τοσθένης ὁ Κυρηναῖος ki je deloval v Aleksandriji kot vodja tamkajšnje
slavne knjižnice ki je bila del Muzejona hiše učenosti in umetnosti grško
Μουσεῖον τῆς Αλεξανδρείας in je najbolj znan po svojem situ za iskanje
praštevil in po izračunu velikosti Zemlje Pri mesolabumu gre za to kako
mehansko določiti prvo in drugo srednjo geometrijsko sorazmernico x in
y daljic a in b kjer je 0 lt a lt b Srednji geometrijski sorazmernici x in y
morata zadoščati relacijiax=xy=y
b (1)
Če označimo te tri kvociente z λ in jih med seboj zmnožimo dobimo
axsdotxysdoty
b=ab= λ3
To pomeni da je
λ = 3
radicab x =
3radica2b y =
3radicab2
Pri tem velja relacija a lt x lt y lt b ki je posledica relacije
a3 = a2a lt a2b = aab lt abb = ab2 lt bb2 = b3
iz katere sledi po kubičnem korenjenju a lt3radica2b lt
3radicab2 lt b Zato lahko
rečemo da sta x in y sredini daljic a in b saj sta med a in b
Za b = 2a je x = a 3radic
2 in y = a 3radic
4 To pomeni da se s tem posreči pod-
vojiti in početveriti kocko Kocka z robom x ima namreč dvakrat kocka z
robom y štirikrat večjo prostornino kot kocka z robom a in dvakrat večjo
kot kocka z robom x ker je x3 = 2a3 in y3 = 4a3 = 2x3 Prvi ki je prišel na
idejo poiskati srednji geometrijski sorazmernici x in y za a in b = 2a je bil
v 5 stoletju pnš živeči Hipokrat z otoka Hios v grščini ῾Ιπποκράτης ὁ
Χῖος Skušal je rešiti problema podvojitve kocke in kvadrature kroga
13
Eratosten je bil nad svojim izumom mesolabuma tako navdušen da je
en primerek baje daroval v nekemu templju sicer pa ga je posvetil kralju
Ptolemaju III (284ndash222 pnš) imenovanemu tudi Ptolemaj Dobrotnik
grško Πτολεμαῖος Εὐεργρέτης
Slika 4 Osnovni elementi Eratostenovega mesolabuma
Sedaj je čas da opišemo Eratostenov mesolabum Njegov je bil sicer
izdelan iz lesa slonove kosti in kovin mi pa si ga bomo ogledali she-
matično geometrijsko uporabljajoč pravokotnike trikotnike daljice pre-
mice točke razmerja in sorazmerja
V ravnini so postavljeni skladni pravokotniki A1B1C1D1 A2B2C2D2 in
A3B3C3D4 s stranicami A1B1 A2B2 in A3B3 na skupni premici na kateri
ostanejo ves čas v nadaljevanju opisanega postopka Vse stranice pra-
vokotnikov pravokotne na to premico imajo dolžino b Dolžina pre-
ostalih stranic ni pomembna Na stranici B3C3 izberemo točko T tako
da je ∣B3T ∣ = a Prvi pravokotnik je negiben preostala dva pa lahko dr-
sita po premici tako da se tretji lahko skrije pod drugega drugi pa pod
prvega S tem lahko gibljiva dva postavimo tako da dobimo daljice dolžin
14
x in y ki skupaj z a in b zadoščajo relaciji (1) Pravokotniki so razdeljeni z
med seboj vzporednimi diagonalami na pravokotne trikotnike (slika 4)
Slika 5 Premik pravokotnikov Eratostenovega mesolabuma
Ko premikamo drugi pravokotnik pod prvega njegova diagonala B2D2
prej ali slej seka stranico B1C1 negibnega pravokotnika denimo v točki
E Ko pa premikamo tretji pravokotnik pod drugega njegova diagonala
B3D3 prej ali slej seka stranico B2C2 drugega pravokotnika denimo v točki
F Cilj premikanja pravokotnikov sem in tja je doseči kolinearnost točk
D1EF in T Kot bomo kmalu videli takrat x = ∣B2F∣ in y = ∣B1E∣ ustrezata
relaciji (1)
Kolinearnost točk D1EF in T dosežemo s postopkom ki mu učeno
rečemo rdquoiteracijardquo Malo premaknemo drugi pravokotnik nato malo tret-
jega pa zopet drugega itd dokler s svojo spretnostjo ne dosežemo zado-
voljive natančnosti V natančni legi označimo u = ∣B1D1∣ v = ∣B2E∣ in
w = ∣B3F∣ Te daljice so med seboj vzporedne (slika 6) in zaradi podob-
nosti trikotnikov A1B1D1 B1B2E in B2B3F ter trikotnikov B1ED1 B2FE in
15
Slika 6 Končna lega pravokotnikov Eratostenovega mesolabuma
B3T F dobimo sorazmerja
bu=y
v=xwy
u=xv=aw
iz katerih sledijo relacije
xw = av xv = yw yv = ux bv = uy
Iz prve druge tretje in četrte dobimo po vrsti
ax=wvwv=xyxy=vuvu=y
b
Sedaj je nedvomno razvidno da je res
ax=xy=y
b
Tako lahko z Eratostenovo napravo najdemo prvo in drugo srednjo ge-
ometrijsko sorazmernico daljic a in b Podobno bi lahko našli tudi več
srednjih geometrijskih sorazmernic daljic a in b
16
So pa matematiki že davno odkrili da se da srednji geometrijski so-
razmernici najti tudi s parabolama Iz relacije (1) namreč sledita preprosti
zvezi
x2 = ay y2 = bx
V prvi spoznamo enačbo parabole ki ima za simetralo ordinatno os gorišče
v točki F(0a4) in vodnico y = minusa4 v drugi pa enačbo parabole ki ima za
simetralo absciso os gorišče v točki G(b40) in vodnico x = minusb4 (slika 7)
Slika 7 Do srednjih geometrijskih sorazmernic s parabolama
Paraboli se sekata v točkah O(00) in A(3radica2b
3radicab2) Konstrukcijo je
odkril Menajhmos grško Μέναιχμος ki je živel v 4 stoletju pnš Prvi je
vpeljal stožnice kot preseke stožca z ravnino Teorijo stožnic je temeljito
obdelal Apolonij iz Perge (265ndash170 pnš) grško Απολλώνιος ὁ Περγαῖος
Njegove knjige so matematiki uporabljali še vse do Newtonovih časov
Prav tako pridemo do srednjih geometrijskih sorazmernic če poiščemo
presečišči parabole x2 = ay z goriščem F(0a4) in vodnico y = minusa4 ter
krožnice x2 + y2 = bx + ay ki ima središče v točki S(b2a2) in premer
17
Slika 8 Do srednjih geometrijskih sorazmernic s parabolo in krožnico
d =radica2 +b2 Parabola in krožnica se sekata v točkah O in A(
3radica2b
3radicab2)
(slika 8) kar potrdi preprost račun Opisano konstrukcijo je obvladal Reneacute
Descartes Menajhmos in Descartes sta pokazala da se z njunima kon-
strukcijama da rešiti problem podvojitve kocke Za b je treba v opisanih
postopkih vzeti 2a Pripomnimo še da je bila starogrška matematika
pretežno matematika razmerij in sorazmerij in tako je bilo še celo vrsto
stoletij Srednjo geometrijsko sorazmernico x daljic dolžin a in b tako
da velja a ∶ x = x ∶ b iz česar sledi x =radicab se da konstruirati z neoz-
načenim ravnilom in šestilom Spomnimo se na višinski izrek v pravokot-
nem trikotniku ki je pravzaprav posledica podobnosti dveh trikotnikov
na katera višina na hipotenuzo razdeli pravokotni trikotnik
Pri dveh srednjih geometrijskih sorazmernicah x in y pa se kot smo
videli pojavi kubični koren ki pa z omenjenima geometrijskima orodjema
ni konstruktibilen To so matematiki dokazali šele v 19 stoletju Do takrat
so problem skušali rešiti na druge načine in pri tem odkrili nove krivulje
tako da njihov trud le ni bil popolnoma zaman Geometrijski objekt bo za
18
nas rdquokonstruktibilenrdquo če se ga da konstruirati z neoznačenim ravnilom in
šestilom
Drugo de Slusovo delo
De Sluse še vedno velja za izjemno učenega človeka nadarjenega za mate-
matiko izumiteljstvo in posploševanje Njegovo ime je še danes povezano
z njegovimi konhoidami in perlami De Slusova konhoida (slika 9) ki ima
implicitno obliko
(xminus c)(x2 +y2)minus2cx2 = 0
je precej natančno obravnavana v članku [9]
Slika 9 Slusova konhoida
Reneacute de Sluse se ni ukvarjal le z matematiko ampak tudi z astronomijo
fiziko naravoslovjem in seveda teologijo Pogosto se je pritoževal nad
omejitvami ki so mu jih nalagale njegove verske in upravne funkcije
Ni veliko eksperimentiral ker za to ni imel posebnega veselja pa tudi
ne tehničnih možnosti Je pa predlagal drugim zlasti Huygensu da naj
naredijo tak ali drugačen eksperiment Z zanimanjem je bral prepovedane
19
knjige N Kopernika G Galileja in J Keplerja ter kritiziral prizadevanja za
obnovitev starih konceptov Pisal je že o ekscentričnosti v zvezi s Soncem
Zdi se da je za svoje izračune uporabljal oba sistema heliocentričnega
in geocentričnega Rad je opazoval zvezdnato nebo Tako v kemiji kot
drugje se je znašel na razpotju Prebral je modne knjige o alkimiji in
celo ponovil poskus sublimacije antimona v belo barvo vendar je bila nje-
gova razlaga odločno korpuskularna saj je uporabljal Boylove zamisli o
strukturi tekočega in trdnega stanja V podporo temu je izvajal poskuse
zamrzovanja različnih raztopin in študiral sestavo lojevca V medicinski
kemiji se je zanimal za zdravilne vode in jih tudi analiziral
V fiziki sta ga je posebej zanimala merjenje temperature in praktična
termometrija Če ne upoštevamo odkritij E Torricellija in B Pascala o
vplivu atmosferskega tlaka na zračni termometer je de Sluse leta 1664
izumil svoj termometer z voščeno kroglico pomešano s peskom ki se je
gibala v stekleni cevi zaprti na dnu napolnjeni s slano vodo tako da je
bila kroglica bolj ali manj potopljena v sredini cevi kar je opisal v pismih
Huygensu Kroglica je označevala vsako spremembo v zraku iz toplejšega
na hladnejše ko se je spuščala ali dvigala Huygens je odgovoril da je
njegov termometer prepočasen vendar je zanesljivejši od drugih istovrst-
nih termometrov ker je manj podvržen vplivu atmosferskega tlaka Žal
ni poznal florentinskega termometra ko je svojim dopisnikom vključno s
Huygensom in Oldenburgom povedal o svojem izumu Florentinski ter-
mometri so pomenili odločilen korak naprej pri merjenju temperature
Bili so prvi ki so omogočali natančne meritve Pred iznajdbo v Firencah
okoli leta 1650 so bili stari modeli zelo približni določali so ali je pred
nami nekaj hladnega ali vročega ne da bi lahko odčitali ali ocenili tem-
peraturo Razlika je v tem da je steklena cev zaprta tako da je vpliv tlaka
20
odpravljen Uporabljali so se predvsem petdesetstopinjski termometri
Taki termometri so večinoma služili za določanje nihanja temperature zra-
ka v zaprtih prostorih in na prostem Oblikovanje termometra je takrat
pomenilo tudi določitev njegove merilne lestvice vendar še brez Celzijevih
ali Fahrenheitovih stopinj Pri tem so bile stopinje enakomerno razpore-
jene med dvema skrajnostma in sicer med nivojem najhladnejše tekočine
pozimi (nizka točka) in nivojem najbolj vroče tekočine poleti (visoka točka)
Zaradi teh zelo relativnih vrednosti je primerjava meritev med dvema ter-
mometroma nezanesljiva Ob upoštevanju pripomb jo je večkrat spreme-
nil in jo ponovno predložil Oldenburgu do leta 1669 ko je R Boyle izrazil
negativno mnenje glede topnosti voska kroglic v slani tekočini Po tem da-
tumu termometer ni bil nikoli več omenjen De Sluse je zboljšal različne
instrumente ure številčnice barometre Ker ga je motilo prerekanje med
raziskovalci glede avtorstva odkritij je po Oldenburgovi smrti leta 1677
končal svojo znanstveno dejavnost
Šele v 18 stoletju so razvijali temperaturne merilne lestvice C Re-
naldini (1694) O C Roslashmer (1702) G Fahrenheit (1717) Reneacute-Antoine
F de Reacuteaumur (1730) in A Celsius (1741) Enota kelvin (K ndash v čast lordu
Kelvinu 1824-1907) osnovna enota mednarodnega sistema enot za tem-
peraturo je bila uvedena šele leta 1954
De Sluse je bil tudi zgodovinar Napisal je knjigo o smrti sv Lam-
berta škofa v Tongresu ki je bil ubit na kraju kamor je sv Hubert njegov
naslednik prenesel sedež svoje škofije Kraj se je kasneje razvil v Liegravege
Druga zgodovinska študija se nanaša na slavnega maastrichtskega škofa
sv Servacija Med de Slusovimi neobjavljenimi rokopisi je tudi zgodovina
Koumllna Pripomnimo še da je sv Hubert zavetnik lovcev matematikov
optikov in kovinarjev
21
O širini de Sluzovih interesov priča raznolikost tem ki so zajete na
več sto straneh njegovega dela neobjavljenih rokopisov ki jih zdaj hrani
Narodna knjižnica Bibliotheque Nationale v Parizu Čeprav se je ukvarjal
predvsem z matematiko njegovi rokopisi obravnavajo tudi astronomijo
fiziko in naravoslovje
De Slusove perle
Po de Slusu so po zaslugi B Pascala (več o tem v [4]) imenovane tudi
krivulje rdquode Slusove perlerdquo to so krivulje ki se v pravokotnem kartezi-
čnem koordinatnem sistemu Oxy izražajo z enačbo
ym = kxn(aminusx)p (2)
Pri tem so eksponenti mn in p naravna števila a in k pa pozitivni kon-
stanti Glede na parnost eksponentovmn in p formalno razlikujemo osem
možnosti od katerih imamo opravka s perlami le v primeru ko je m sodo
število s pravimi perlami pa v primeru ko je m sodo število n in p pa lihi
števili (slika 10) Skupno tem krivuljam so simetričnost glede na os x in
presečišča s to osjo pri x = 0 in x = a De Sluse je po svoje brez uporabe
odvoda izračunal da njegove perle dosegajo lokalne ekstreme največji
odstop od osi x med 0 in a za x = na(n+p)
V teh primerih je ploščina S lika ki ga ograjuje zanka perle enaka
S = 2k1mint
a
0xnm(aminusx)pmdx = 2k1ma(m+n+p)mint
1
0tnm(1minus t)pmdt
Integracijsko spremenljivko x smo zamenjali z novo spremenljivko t prek
relacije x = at da smo dobili obliko ki jo lahko izrazimo z Eulerjevima
22
Slika 10 Primeri de Slusovih perl
funkcijama B in Γ
S = 2k1ma(m+n+p)mB(nm+1pm+1) =
= 2k1ma(m+n+p)mΓ(nm+1)Γ(pm+1)
Γ((n+p)m+2)=
= 2k1ma(m+n+p)mnp
(m+n+p)(n+p)
Γ(nm)Γ(pm)
Γ((n+p)m)
Pri rotaciji okoli osi x ta lik v prostoru opiše telo s prostornino
V =πk2mint
a
0x2nm(aminusx)2pmdx =πk2ma(m+2n+2p)m
int
1
0t2nm(1minust)2pmdt
23
Slika 11 Zasuk de Slusove perle za m = 2n = 3p = 1k = 001 okoli osi x
Integracijsko spremenljivko x smo tudi to pot zamenjali z novo spremenljivko
t prek relacije x = at da smo dobili obliko ki jo lahko izrazimo z Eulerje-
vima funkcijama B in Γ
V =πk2ma(m+2n+2p)mB(2nm+12pm+1) =
=πk2ma(m+2n+2p)mΓ(2nm+1)Γ(2pm+1)Γ((2n+2p)m+2)
=
= 2πk2ma(m+2n+2p)m np
(m+2n+2p)(n+p)Γ(2nm)Γ(2pm)
Γ((2n+2p)m)
Poseben primer de Slusove perle
Natančneje bomo obravnavali de Slusovo perlo samo primer za m = n = 2
p = 1 in k = 1a to se pravi krivuljo K ki ima implicitno enačbo ay2 =
x2(a minus x) To pa zato ker se posamezne točke te krivulje da preprosto
konstruirati z osnovnim geometrijskim orodjem
24
Geometrijska konstrukcija in analitična obravnava
Do posameznih točk T krivulje K pridemo s preprosto geometrijsko kon-
strukcijo (slika 12) V pravokotnem kartezičnem koordinatnem sistemu
Oxy načrtamo premico x = a kjer je a pozitivna konstanta Skozi koordi-
natno izhodišče O potegnemo premico p ki ima enačbo y = tx in preseka
premico x = a v točki A(ata) Parameter t smerni koeficient premice p s
katerim je sorazmerna ordinata točkeA bomo kasneje spreminjali V točki
A na p postavimo pravokotnico q ki seka os x v točki B V B načrtamo na
q pravokotnico r ki seka premico x = a v točki C nazadnje pa skozi C še
pravokotnico s na r Presečišče premic p in s naj bo točka T (xy) Sedaj
bomo izrazili njeni koordinati x in y s parametrom t
Slika 12 Konstrukcija točke T de Slusove perle K
Premica q ima enačbo y = minus(x minus a)t + at in preseka os x v točki B(a +
at20) Premica r ima enačbo y = t(x minus aminus at2) in preseka premico x = a v
točki C(aminusat3) premica s pa enačbo y = minus(xminus a)t minus at3 Koordinati točke
T sta rešitvi sistema enačb
y = tx y = minusxminusat
minusat3
25
Po krajšem računu dobimo
x(t) = a(1minus t2) y(t) = at(1minus t2) (3)
To sta parametrični enačbi krivulje K Ko spreminjamo t po vseh realnih
vrednostih oziroma ko A drsi po premici x = a točka T (xy) opiše krivuljo
K (slika 13) z zanko ki spominja na perlo
Če si mislimo da je parameter t čas enačbi (3) predstavljata sestav-
ljeno gibanje točkaste mase v dveh med seboj pravokotnih smereh v koor-
dinatni ravnini v smeri osi x po pravilu prve enačbe v smeri osi y pa po
pravilu druge enačbe Tirnica takega gibanja je krivulja K Podoben le da
bolj preprost primer imamo tudi pri gibanju točkaste mase pri poševnem
metu
Slika 13 De Slusova perla K
Ko se t spreminja od zelo velikih negativnih vrednosti potuje T po
loku v drugem kvadrantu navzdol in doseže za t = minus1 prvič točko O Za
minus1 le t le 0 opiše lok v četrtem kvadrantu odO do temenaD(a0) za 0 le t le 1
opiše lok v prvem kvadrantu od D do točke O ki jo doseže drugič za t = 1
za t gt 1 pa se spusti po loku v tretjem kvadrantu navzdol
26
Če upoštevamo (3) dobimo
x2(t)(aminusx(t)) = a2(1minus t2)2 sdotat2 = a(at(1minus t2))2 = ay2(t)
To pomeni da je ay2 = x2(aminusx) implicitna enačba krivulje K in da je K al-
gebrska krivulja tretje stopnje Krivulja K je simetrična glede na os x Za
točke ki so zelo blizu koordinatnemu izhodiščuO je člen x3 zanemarljivo
majhen v primerjavi s kvadratnima členoma zato je tam enačba krivulje
K približno ay2 = ax2 oziroma (y minusx)(y +x) = 0 Ta enačba razpade na dve
y = x in y = minusx V točki O ima krivulja tangenti y = x in y = minusx ki se sekata
pravokotno V točki D je tangenta na krivuljo premica x = a Krivulja ima
na zanki dve glede na os x simetrično ležeči lokalno ekstremni točki v ka-
terih je tangenta vzporedna z osjo x To sta točki Mplusmn(2a3plusmn2aradic
39) De
Sluse jih je na svojevrsten način pravilno izračunal čeprav je bilo v nje-
govem času računanje z odvodi še v zametkih Da bi pravilnost ekstrem-
nih točk preverili brez odvoda uporabimo kvadrat ekstremne ordinate ki
je y2M = 4a227 in zapišimo izraz
ay2M minusx2(aminusx) = 4a327minusax2 +x3 = (xminus2a3)2(x+a3)
ki je za 0 lt x lt a nenegativen in enak 0 za x = 2a3 To pomeni da je
tedaj x2(a minus x) le 4a327 in največja ordinata na zanki krivulje je 2aradic
39
najmanjša pa minus2aradic
39 oboje pri x = 2a3 (slika 14)
Z uporabo odvoda gre vse veliko hitreje Ordinata y doseže ekstrem
takrat kot ay2 Zato je vseeno če poiščemo ekstrem enostavnejše funkcije
g(x) = x2(a minus x) = ax2 minus x3 Potreben pogoj za to je g prime(x) = 2ax minus 3x2 = 0
Dobimo stacionarni točki x1 = 0 in x2 = 2a3 Uporabimo še g primeprime(x) = 2aminus6x
Ker je g primeprime(x1) = 2a gt 0 in g primeprime(x2) = minus2a lt 0 ima funkcija g v točki x1 lokalni
minimum ki je enak 0 v točki x2 pa lokalni maksimum ki je enak 4a327
27
Slika 14 Lokalna ekstrema na de Slusovi perli K
Ekstremna točka na zanki kjer je tangenta vzporedna z osjo x je očitno
le v x2 kvadrat ekstremne ordinate je tedaj g(x2)a = 4a227 = 12a281
Ekstremni ordinati sta torej plusmn2aradic
39 pri abscisi 2a3
Abscise 2a3 ni težko geometrijsko konstruirati prav tako tudi ne or-
dinate 2aradic
39 ki je 29 razdalje ∣PminusP+∣ = aradic
3 kjer sta Pminus in P+ presečišči
krožnih lokov s središčema v točkahO inD in polmerom ∣OD ∣ To pomeni
da sta točki Pminus in P+ konstruktibilni
Če bi načrtali celotna krajša krožna loka med Pminus in P+ bi dobili med
njima lečast lik ki so mu nekoč rekli rdquovesica piscisrdquo kar dobesedno pomeni
rdquoribji mehurrdquo Lik je bil zelo znan v srednjeveški sakralni umetnosti
Čeprav v de Slusovem času še niso poznali odvoda funkcije v današn-
jem smislu so že vedeli zahvaljujoč Fermatu da ima funkcija v točki
lokalnega ekstrema vodoravno tangento
28
Spremljajoča parabola
Nastajanje krivulje K spremljajo še nekatere druge bolj ali manj znane
krivulje Najprej si oglejmo kaj dobimo če točko O pravokotno projici-
ramo na premice r in spreminjamo parameter t Dobljena projekcija naj
bo R (slika 15)
V prispevku se pogosto sklicujemo na povezavo med smernima koe-
ficientoma premice in pravokotnice nanjo Koeficienta sta si inverzna in
nasprotna Zato zlahka napišemo enačbo premice r in pravokotnice skozi
O nanjo
y = t(xminusaminusat2) y = minusxt
Njuno presečišče R ima koordinati
x(t) = at2 y(t) = minusat
Z izločitvijo parametra t dobimo y2 = ax kar pomeni da točke R pri spre-
minjanju točkeA po premici x = a opišejo parabolo rdquospremljajočo parabolordquo
ki ima gorišče v točki F(a40) in vodnico v z enačbo x = minusa4
Slika 15 De Slusova perla K in spremljajoča parabola
29
Ogrinjače
Ko drsi točka A po premici x = a premice s ogrinjajo neko krivuljo Ks
Premice s so v točki T krivulje K pravokotne na premice skozi O in T
Njeno enačbo dobimo po standardnem postopku Enačba premic s je
F(xyt) = y +xminusat
+at3 = 0
To je enoparametrična družina premic ki ogrinjajo krivuljo Ks imeno-
vano rdquoogrinjačardquo te družine (slika 16) V vsaki točki ogrinjače se jo dotika
ena premica v različnih točkah različne premice družine Enačbo njihove
ogrinjače v implicitni obliki dobimo tako da iz sistema enačb
Slika 16 De Slusova perla K in ogrinjače Ks Kq Kr
F(xyt) = 0partFpartt
(xyt) = 0
izločimo parameter t Iz enačbe
partFpartt
(xyt) = minus(xminusa)t2 +3at2 = 0
30
dobimo najprej xminusa = 3at4 kar vstavimo v prvo enačbo v sistemu in imamo
y = minus4at3 Dobili smo ogrinjačo v parametrični obliki
x(t) = a(1+3t4) y(t) = minus4at3
Izločimo t in enačba iskane ogrinjače Ks v implicitni obliki je pred nami
27y4 = 256a(xminusa)3
Ker je y dobljene krivulje sorazmeren s potenco (x minus a)34 lahko rečemo
da je ogrinjača premic s četrtkubična parabola
Podobno poiščemo ogrinjačo Kq premic q
F(xyt) = yt +xminusaminusat2 = 0partFpartt
(xyt) = y minus2at = 0
Ogrinjača v parametrični obliki je to pot
x(t) = a(1minus t2) y(t) = 2at
Z izločitvijo parametra t dobimo njeno enačbo v implicitni obliki
y2 = minus4a(xminusa)
Dobljena krivulja Kq je parabola z vodnico x = 2a in goriščem v točki O
(slika 16)
Nazadnje po enakem postopku kot doslej poiščemo še ogrinjačo Kr
premic r
F(xyt) = y minus tx+at +at3 = 0partFpartt
(xyt) = minusx+a+3at2 = 0
Ogrinjača v parametrični obliki je potem
x(t) = a(1+3t2) y(t) = 2at3
31
Z izločitvijo parametra t dobimo njeno enačbo še v implicitni obliki
27ay2 = 4(xminusa)3
Dobljena krivulja Kr je polkubična ali Neilova parabola z ostjo v točki
D(a0) kjer ima vodoravno tangento (slika 16) Krivuljo Ks smo up-
ravičeno imenovali četrtkubična parabola Slednja ima v točki D(a0)
navpično tangento
Edinole premice p od tistih ki sodelujejo v konstrukciji točk krivulje
K nimajo ogrinjače Vse premice p namreč potekajo skozi koordinatno
izhodišče O in očitno ne ogrinjajo nobene krivulje
Nožiščne krivulje
Novo krivuljoHprime dobimo če na tangente dane krivuljeH pravokotno pro-
jiciramo izbrano točko Φ Vse projekcije P nožišča točke Φ na tangentah
krivuljeH sestavljajo krivuljoHprime ki jo imenujemo rdquonožiščnardquo ali rdquopedalna
krivuljardquo krivulje H glede na točko Φ
Beseda rdquopedalenrdquo izhaja iz latinske rdquopedalisrdquo kar pomeni rdquonoženrdquo Os-
novna beseda je rdquopesrdquo v rodilniku ednine rdquopedisrdquo kar pomeni rdquonogardquo Od
tod izvirajo tudi besede rdquopedalordquo rdquopedalarrdquo in rdquopedalinrdquo
Poiščimo nekaj nožiščnih krivulj glede na koordinatno izhodišče O
Najprej za krivuljo K ki je poseben primer de Slusove perle Za odvod
v točki T isinK ki ustreza parametru t dobimo
dy
dx(x) =
y
x(t) =
3t2 minus12t
Enačbi tangente v T in pravokotnice skozi O nanjo pa se glasita
y minusat(1minus t2) =3t2 minus1
2t(xminusa(1minus t2)) y =
2t1minus3t2
x
32
Sekata se v točki P s koordinatama
x(t) =a(t2 minus1)2(1minus3t2)
9t4 minus2t2 +1 y(t) =
2at(t2 minus1)2
9t4 minus2t2 +1 (4)
S tem smo našli parametrični enačbi krivulje Kprime (slika 17) Do implicitne
enačbe je dolga pot prek rezultante dveh polinomov spremenljivke t od
katerih je prvi druge drugi pa pete stopnje Najprej opazimo da je v (4)
yx = 2t(1minus 3t2) kar lahko zapišemo kot p(t) = 3yt2 + 2xt minus y = 0 drugo
enačbo pa zapišemo v obliki q(t) = 2at5 minus 9yt4 minus 4at3 + 2yt2 + 2at minus y = 0
Zaradi enostavnosti smo pisali x in y brez argumenta t Da izločimo pa-
rameter t je treba zapisati rdquorezultantordquo R(p(t)q(t)) polinomov p(t) in
q(t) in jo izenačiti z 0 (glej [14])
R(p(t)q(t)) =
RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR
2a minus9y minus4a 2y 2a minusy 0
0 2a minus9y minus4a 2y 2a minusy
3y 2x minusy 0 0 0 0
0 3y 2x minusy 0 0 0
0 0 3y 2x minusy 0 0
0 0 0 3y 2x minusy 0
0 0 0 0 3y 2x minusy
RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR
= 0
Zadnji stolpec je deljiv z y Ker y = 0 ni del iskane nožiščne krivulje pre-
ostane ko izračunamo determinanto in jo okrajšamo z y in preuredimo
27y2(x2 +y2)2 +4ax(x2 minus9y2)(x2 +y2)minus4a2(x2 minusy2)2 = 0
Rezultat je torej algebrska krivulja šeste stopnje Krivulja je simetrična
glede na abscisno os točka O pa je njena posebna točka Za zelo majhne
x in y prevlada zadnji člen kar pomeni da sta premici y = x in y = minusx v O
tangenti na krivuljo
33
Slika 17 Nožiščna krivulja Kprime krivulje K glede na koordinatno izhodišče
Zanka krivulje Kprime nekoliko spominja na srčnico ali kardioido ki jo
opisujejo točke krožnice ki se brez drsenja kotali po enako veliki krožnici
Krivulja Kprime ima še neomejeni del ki se razteza po drugem in tretjem kvad-
rantu Poglejmo kako potuje točka po krivulji v parametrizaciji (4) ko
parameter t teče po številski premici Za t lt minus1 poteka krivulja po tretjem
kvadrantu pri čemer x(t)rarr minusinfin in y(t)rarr minusinfin ko t rarr minusinfin Pri t = minus1 točka
doseže O v obliki osti ki ima za tangento premico y = x Za minus1 lt t lt 0
potuje točka po četrtem kvadrantu doseže točko D pri t = 0 za 0 lt t lt 1
potuje naprej po prvem kvadrantu in pri t = 1 spet doseže O kjer ima
ost s tangento y = minusx nato nadaljuje pot po drugem kvadrantu pri čemer
x(t)rarr minusinfin in y(t)rarrinfin ko trarrinfin
Nožiščna krivulja malo prej obravnavane krivulje Ks glede na točko O
ni nič drugega kot krivulja K Premice s so namreč tangente na Ks nožišča
točke O na njej pa so točke krivulje K Lahko pa to preverimo z računom
34
tako kot smo poiskali nožiščno krivuljo Kprime za K glede na točko O
Za odvod v poljubni točki na Ks ki ustreza parametru t dobimo
dy
dx(x) =
y
x(t) = minus
1t
Enačbi tangente v tej točki in pravokotnice skozi O nanjo pa se glasita
y +4at3 = minus1t(xminusa(1+3t4)) y = tx
Sekata se v točki s koordinatama
x(t) = a(1minus t2) y(t) = at(1minus t2)
To sta ravno parametrični enačbi krivulje K tako da velja Kprimes =K
Podobno ugotovimo tudi da je premica x = a nožiščna krivulja za para-
bolo Kq Premica x = a je tangenta te parabole v temenu V splošnem je
temenska tangenta parabole kar njena nožiščna krivulja glede na gorišče
Ugotovili smo torej da je nožiščna krivulja krivulje Kr spremljajoča para-
bola krivulje K
Ekstremne točke nožiščne krivulje Kprime
Ekstremne točke na zanki krivulje Kprime dobimo iz odvodov
x(t) =2at(1minus t2)(3t2 +1)(9t4 +2t2 minus3)
(9t4 minus2t2 +1)2
y(t) =2a(t2 minus1)(3t2 +1)(3t4 +6t2 minus1)
(9t4 minus2t2 +1)2
Za t = 0 doseže v točki D(a0) abscisa svojo največjo vrednost Za t = plusmn1
poteka krivulja skozi točko O kjer sama sebe preseka pod pravim kotom
ker je yprime(0) = (yx)(plusmn1) = ∓1
35
Najmanjšo absciso na zanki ima krivulja Kprime v točki ki jo določa para-
meter t za katerega velja pogoj 9t4 +2t2 minus3 = 0 To je bikvadratna enačba
katere realni rešitvi sta tplusmn = plusmnradic
2radic
7minus13 ustrezni točki na krivulji pa
izračunamo z enačbama (4) in dobimo
Xplusmn(a(17minus7radic
7)27plusmnaradic
74radic
7minus17227)
Ekstremni ordinati na zanki ima krivulja takrat za tisto vrednost para-
metra t za katerega velja pogoj 3t4 + 6t2 minus 1 = 0 Realni rešitvi te bi-
kvadratne enačbe sta tplusmn = plusmn(3radic
2minusradic
6) 4radic
36 ustrezni točki na krivulji pa
Yplusmn(a(3minusradic
3)3plusmna 4radic123)
Ker v koordinatah ekstremnih točk nastopajo poleg osnovnih aritmetičnih
operacij le kvadratni in bikvadratni (četrti) koreni so te točke konstruk-
tibilne
Cisoida
Spoznali smo enega od načinov pridobivanja novih ravninskih krivulj iz
danih to je z nožišči izbrane točke na tangentah dane krivulje Krivulji
s tem priredimo nožiščno krivuljo glede na izbrano točko Drug tak pre-
prost način kako iz znanih krivulj dobimo nove je cisoidni način Kako
pa ta poteka
Denimo da sta znani krivulji K1 in K2 ter točka O ki ležijo v isti
ravnini Pri tem sta K1 in K2 taki krivulji da vsaka premica p skozi O
ki seka K1 v neki točki T1 seka tudi K2 recimo v točki T2 (slika 18) Za
vsak T1 označimo na p točko T tako da veljaETHOT =
ETHETHT1T2 Ko T1 potuje po
K1 T opiše krivuljo C ki jo imenujemo cisoida krivulj K1 in K2 glede na
točko O Definicije take cisoide se nekoliko razlikujejo od vira do vira
36
Slika 18 Krivulja C je cisoida krivulj K1 in K2 glede na točko O
Dioklova cisoida s katero rešimo problem podvojitve kocke je cisoida
krožnice x2 + y2 = ax in premice x = a glede na koordinatno izhodišče O
Več o cisoidah in njihovi uporabi je napisanega na primer v [8]
Krivulja K je povezana tudi s polkubično ali semikubno ali Neilovo
parabolo poimenovano po Williamu Neilu (1637ndash1680) Parametrični
enačbi (3) lahko zapišemo v vektorski obliki v standardni bazi kot razliko
kolinearnih vektorjev
r(t) = (x(t)y(t)) =ETHOT = (a(1minus t2)at(1minus t2)) = (aat)minus (at2at3)
Vektor r1(t) = (aat) = (a0)+at(01) je enačba premice x = a v parametrični
obliki vektor r2(t) = (at2at3) pa polkubične parabole ki ima enačbo ay2 =
x3 in ost v točkiO Parameter t geometrijsko pomeni tangens naklonskega
kota premice OA (slika 13)
Premica y = tx poteka skozi koordinatno izhodišče O in seka premico
x = a v točkiA(aat) zato jeETHOA = r1 Ista premica seka polkubično parabolo
P ki ima enačbo ay2 = x3 v točki P (at2at3) tako da jeETHOP = r2 S tem je
ETHPA =
ETHOAminus
ETHOP = r1minus r2 = r To pomeni da je r =
ETHOT =
ETHOAminus
ETHOP Potemtakem
je krivulja K cisoida polkubične parabole P z enačbo ay2 = x3 in premice
37
Slika 19 De Slusova perla K kot cisoidna krivulja
x = a glede na točko O (slika 19)
Neilova parabola in ločna dolžina
Neilova ali polkubična parabola ay2 = x3 je bila v zgodovini matematike
pomembna kot ena prvih krivulj za katero so znali izračunati ločno dolžino
Prav prvi je to znal John Wallis (1616ndash1703) leta 1657
Denimo da nas zanima ločna dolžina `(b) te krivulje nad intervalom
[0b] (slika 20) Znano je da lahko uporabimo formulo za ločno dolžino
krivulje ki je dana v eksplicitni obliki
`(b) = intb
0
radic
1+yprime2dx
Pri tem je y = f (x) enačba krivulje in yprime = f prime(x) V našem primeru je y =
38
Slika 20 Neilova ali polkubična parabola
f (x) = plusmnradicx3a Kratek račun nam da yprime2 = 9x(4a) in
`(b) = intb
0
radic
1+9x4adx
Z uvedbo nove integracijske spremenljivke u z relacijo u2 = 1 + 9x(4a)
dobimo
`(b) =8a9 int
c
1u2du =
8a27
(c3 minus1)
pri čemer je c =radic
1+9b(4a)
Leibnizeva izohrona je krivulja po kateri se je leta 1687 vprašal G W
Leibniz Poiskati je treba v navpični ravnini krivuljo po kateri se brez
trenja giblje točkasta masa ki je podvržena konstantnemu težnostnemu
polju tako da je navpična komponenta njene hitrosti ves čas konstantna
Nalogo je prvi rešil C Huygens nizozemski astronom fizik in matema-
tik znan tudi po odkritju Saturnovega satelita Titana in znamenitih Sat-
urnovih obročev ter po izdelavi prve ure na nihalo kar je bilo za tiste čase
velik napredek v merjenju točnega časa
39
Slika 21 Leibnizeva izohrona
Izhodišče O postavimo v najvišjo točko krivulje (slika 21) V tej točki
je horizontalna hitrost premikajoče se mase m enaka 0 Naj bo v0 njegova
navpična hitrost navzdol Os y je vodoravna os x pa usmerjena navz-
dol Potencialno energijo mase računamo nad izbranim nivojem spodaj V
skladu z načelom ohranitve mehanske energije v času t in času 0 potem
velja12mv2(t)+mg(hminusx(t)) =
12mv2
0 +mgh
Pri tem je g težni pospešek Po poenostavitvi dobimo v2(t) = 2gx(t)+ v20
Vektor hitrosti ima v vsakem trenutku med seboj pravokotni komponenti
v(t) = (x(t) y(t)) za t = 0 pa v(0) = (v00) Upoštevamo da je ∣v(t)∣2 =
v2(t) = x2(t) + y2(t) in da je x(t) = v0 pa imamo sistem diferencialnih
enačb
x(t) = v0 y(t) =radic
2gx(t)
ki ga rešimo pri začetnih pogojih x(0) = y(0) = 0 in dobimo
x(t) = v0t y(t) =23
radic2gv0t3
40
Koordinati točk na dobljeni krivulji zadoščajo enačbi
ay2 = x3 a =9v2
0
8g
Pri dani konstanti a je v0 = (23)radic
2ag Iskana krivulja je torej Neilova
parabola Ime izohrona je dobila zato ker točkasta masa po vertikali
v enakih časih prepotuje enake razdalje V grščini beseda ἴσος pomeni
rdquoenakrdquo χρόνος pa rdquočasrdquo
Dolžina ` zanke krivulje K nas pripelje do zapletenega eliptičnega in-
tegrala za katerega zapišimo približno vrednost
` = 2aint1
0
radic9t4 minus2t2 +1dt ≐ 271559186a
Pač pa je dolžina loka ` četrtkubične parabole Ks ogrinjače premic s bolj
prijazna Za dolžino loka od točke D ki ustreza parametru t = 0 do točke
ki ustreza parametru t = α dobimo
` = 12aintα
0t2
radic1+ t2dt =
3a2
(α(1+2α2)radic
1+α2 minus ln(α +radic
1+α2))
Prav tako dolžina loka ` navadne parabole Kq ogrinjače premic q ne
dela težav Za dolžino loka od točke D ki ustreza parametru t = 0 do
točke ki ustreza parametru t = α dobimo
` = 2aintα
0
radic1+ t2dt = a(α
radic1+α2 + ln(α +
radic1+α2))
Za spremljajočo parabolo dobimo prav tako enostaven rezultat za ločno
dolžino od točke O do točke ki ustreza parametru t = α
` = intα
0
radic1+4t2dt =
a4(2α
radic1+4α2 + ln(2α +
radic1+4α2))
Nazadnje zapišimo še ločno dolžino polkubične parabole Kr
` = 6aintα
0tradic
1+ t2dt = 2a((1+α2)radic
1+α2 minus1)
41
Pri vseh zgornjih primerih je parameter t strmina premice p v prvotni
konstrukciji krivulje K
Ploščine in prostornine
Ploščina S lika ki ga omejuje zanka krivulje K je
S =2radica int
a
0xradicaminusxdx
Z uvedbo nove integracijske spremenljivke t z relacijo aminusx = t2 je
S =4radica int
radica
0t2(aminus t2)dt =
4radica int
radica
0(at2 minus t4)dt =
8a2
15
Lahko pa jo izrazimo tudi s splošno formulo ki smo jo izpeljali na začetku
razdelka S to formulo lahko izrazimo še prostornino V telesa ki ga pri
rotaciji okoli osi x opiše lik
V =πa int
a
0x2(aminusx)dx =
πa3
12
To je ravno polovica prostornine krogle s premerom a
Pač pa je izraz za ploščino S prime lika ki ga omejuje zanka krivulje Kprime bolj
zapleten izraz Uporabimo parametrični enačbi (4) in dobimo
S prime = int1
0(x(t)y(t)minus x(t)y(t))dt = 2a2
int
1
0
(1minus t2)3(1+2t2 minus3t4)(9t4 minus2t2 +1)2 dt
Če se zanesemo na računalniško računanje določenih integralov potem je
S prime =2a2
729(3(43πminus28)+52
radic2ln(1+
radic2))
kar je približno S prime ≐ 1059206796a2 Do enakega rezultata pridemo z
navidez enostavnejšo formulo
S prime = 2inta
0y(x)dx
42
toda drugim težjim integralom
S prime = 2int0
1y(t)x(t)dt = minus8a2
int
1
0
t2(1minus t2)3(3t2 +1)(9t4 +2t2 minus3)(9t4 minus2t2 +1)3 dt
Zakaj smo integrirali po parametru t od 1 do 0 Zato ker abscisa x narašča
od 0 do a ko t pada od 1 do 0 Ordinata y pa je pri tem nenegativna (glej
izraza (4))
Tudi izraz za prostornino V prime telesa ki ga pri rotaciji okoli osi x opiše
lik omejen s Kprime je navidez enostaven
V prime =πinta
0y2(x)dx
toda s parametrom t je zapleten a eksaktno izračunljiv
V prime =πint0
1y2(t)x(t)dt = 8πint
1
0
t3(t2 minus1)5(3t2 +1))(9t4 +2t2 minus3)(9t4 minus2t2 +1)4 dt
Za rezultat dobimo
V prime =2πa3
19683(431π
radic2+369+744ln2)
kar je približno V prime ≐ 08936800975a3
Naj bo s tem računanja integralov dovolj V nadaljevanju se bomo
posvetili nekaterim lažjim problemom
Tangenta
Pri krivuljah v koordinatnem sistemu Oxy so pomembni štirje dotikalni
elementi za posamezne točke T odsek na tangenti ∣TA∣ odsek na normali
∣T B∣ subtangenta ∣AT prime∣ in subnormala ∣BT prime∣ (slika 23) Izražajo se takole
∣TA∣ = ∣y
yprime
radic
1+yprime2∣ ∣T B∣ = ∣yradic
1+yprime2∣ ∣T primeA∣ = ∣y
yprime∣ ∣T primeB∣ = ∣yyprime∣
43
Slika 22 Ploščini likov omejenih z zankama krivulj K in Kprime
Pri tem pomeni yprime = f prime(x) če je enačba krivulje y = f (x) Točka T prime je pra-
vokotna projekcija točke T na abscisno os A je presečišče tangente na
krivuljo v točki T z osjo x B pa presečišče normale z osjo x Dotikalni
elementi so posebej definirani tudi za krivulje v polarnih koordinatah
Slika 23 Dotikalni elementi krivulje
De Sluse je za algebrsko krivuljo f (xy) = 0 po svoje našel izraz za sub-
tangento ts to je pravokotno projekcijo odseka na tangenti
44
na os x V današnji pisavi se subtangenta izraža v obliki
ts = minusy
partfparty (xy)
partfpartx (xy)
Za krivuljo K je f (xy) = ay2 minusx2(aminusx) = 0 in
ts =2x(xminusa)3xminus2a
Lotimo se še konstrukcije tangente t in normale n naK v točki T0(x0y0) ne
O ki enolično določa točko A(aay0x0) kot presečišče premice p skozi O
in T0 s premico x = a Skozi A povlecimo vzporednico nprime z normalo n na K
v točki T0 Normala ima smerni koeficient kn = tsy0 oziroma
kn =
partfparty (x0y0)
partfpartx (x0y0)
=2ay0
x0(3x0 minus2a)
Premica nprime ima enačbo
y minusay0
x0=
2ay0
x0(3x0 minus2a)(xminusx0)
in preseka abscisno os v točki T1(x10) za katero po krajšem računu do-
bimo x1 = 2a minus 3x02 Točko T1 in premico nprime zlahka geometrijsko kon-
struiramo Iskana tangenta t v točki T0 je pravokotna na nprime normala n pa
vzporedna z nprime (slika 24)
Inverzija krivulje K na krožnici
Po navadi za ravninske krivulje pogledamo še njihove inverzne slike na
krožnici Inverzija ali zrcaljenje na krožnici x2 + y2 = r2 je ravninska pres-
likava ι definirana s predpisom
ι ∶ (xy)↦ (r2x
x2 +y2 r2y
x2 +y2)
45
Slika 24 Tangenta in normala na krivuljo K
S spreminjanjem polmera r krožnice dobimo med seboj podobne krivulje
Če zrcalimo na krožnici x2 + y2 = a2 krivuljo K ki ima implicitno enačbo
(2) dobimo krivuljo Klowast ki ima enačbo
y4 = minusx3(aminusx)
ki je formalno oblike (2) zam = 4n = 3p = 1 in k = minus1 Dobljena krivuljaKlowast
je simetrična glede na os x ima dve veji abscisa na njej doseže ekstremni
vrednosti v točkah O(00) in D(a0) Ima pa kot bomo videli tudi dve
asimptoti y = xminusa4 in y = minusx+a4 (slika 25)
Krivuljo Klowast se da lepo parametrizirati s parametrom τ če v njeno
enačbo y4 = minusx3(aminusx) vstavimo y = τx Dobimo
x(τ) =a
1minusτ4 y(τ) =aτ
1minusτ4
To sta parametrični enačbi krivulje Klowast
Ko τ uarr minus1 x(τ)rarr minusinfin in y(τ)rarr +infin ko τ darr minus1 x(τ)rarr +infin in y(τ)rarr minusinfin
ko τ uarr +1 x(τ)rarr +infin in y(τ)rarr +infin ko τ darr +1 x(τ)rarr minusinfin in y(τ)rarr minusinfin
46
Slika 25 Inverzna slika Klowast krivulje K
Konstanti k in n poševne asimptote y = kx + n krivulje Klowast dobimo s
formulama
k = limxrarrplusmninfin
y
x n = lim
xrarrplusmninfin(y minus kx)
V našem primeru je
k = limxrarrplusmninfin
y
x= limτrarrplusmn1
τ = plusmn1 n = a limτrarrplusmn1
τ ∓11minusτ4 = ∓
a4
Poševni asimptoti sta torej premici y = plusmn(xminusa4)
Obnašanje krivulje v okolici točke D utemeljimo če zapišemo impli-
citno obliko krivulje nekoliko drugače
y4 = (xminusa)x3 = (xminusa)(a+(xminusa))3 = a3(xminusa)+3a2(xminusa)2+3a(xminusa)3+(xminusa)4
47
Slika 26 Krivulja Klowast in približka v okolici točk O in D
Za x ki je zelo blizu a prevlada na desni prvi člen tako da je y4 asymp a3(xminusa)
Razlika xminusa se torej obnaša približno tako kot bikvadrat ordinate y
V okolici točke O kjer so abscise negativne iz istega razloga velja y4 asymp
minusax3 zato se tam krivulja obnaša približno tako kot četrtkubična parabola
(slika 26)
Inverzija krivulje Kprime na krožnici
Na krožnici x2 + y2 = a2 zrcalimo še krivuljo Kprime nožiščno krivuljo krivulje
K glede na točko O Dobimo dvodelno krivuljo Kprimelowast kakršno vidimo na
sliki 27
Enačba nove krivulje v implicitni obliki je
4(x2 minusy2)2 minus4ax(x2 minus9y2)minus27a2y2 = 0
48
Slika 27 Inverzna slika Kprimelowast krivulje Kprime
Krivulja je algebrska četrte stopnje je simetrična glede na os x ima ost
z vodoravno tangento v točki O skozi točko D pa poteka v blagem loku
Natančneje ugotovimo približni potek krivulje v okolici teh dveh točk če
v zgornji enačbi obdržimo prevladujoče člene V okolici točke O kjer so
abscise negativne je ay2 asymp minus4x327 torej približno tako kot polkubična
parabola V okolici točke D(a0) je y2 asymp minus4a(x minus a) kar pomeni da se
krivulja obnaša približno tako kot parabola
Pritisnjeni krožnici na K
Pritisnjeni krožnici v točki O na krivuljo K sta inverzni sliki asimptot
krivulje Klowast na krožnici x2 + y2 = a2 Preprost račun pokaže da se asimp-
toti krivulje Klowast z inverzijo ι preslikata v krožnici x2 + y2 plusmn4ay minus4ax = 0 ki
imata središči v točkah Splusmn(2aplusmn2a) in polmer 2aradic
2 Sekata se pavokotno
v točkah O in M(4a0) Inverzija ι namreč ohranja kote (slika 28)
49
Slika 28 Pritisnjeni krožnici na krivuljo K v točki O
Ukrivljenost κ(t) krivulje K v točki ki ustreza parametru t brez težav
izračunamo iz njenih parametričnih enačb (3)
κ(t) =2(3t2 +1)
a(1minus2t2 +9t4)32
V posebnem primeru je v točki O to se pravi za t = plusmn1 ukrivljenost enaka
κ(plusmn1) = 1(2aradic
2) zato sta v O polmera pritisnjenih krožnic 1κ(plusmn1) =
2aradic
2 kar se seveda ujema z rezultatom dobljenim z inverzijo na krožnici
Toksoida
Videli smo da je inverzna slika krivulje K krivulja Klowast ki ima enačbo y4 =
minusx3(aminusx) ki je formalno oblike (2) zam = 4n = 3p = 1 in k = minus1 Prav tako
je krivulja ay2 = minusx2(aminus x) ki jo dobimo iz enačbe ay2 = x2(aminus x) krivulje
K če zamenjamo aminus x z x minus a formalno oblike (2) za m = 2n = 2p = 1 in
50
k = minus1a Krivuljo označimo jo s T ki ima enačbo
ay2 = x2(xminusa)
je nemški amaterski matematik samouk in izumitelj Diedrich (tudi Diede-
rich) Uhlhorn (1764ndash1837) imenoval rdquotoksoidardquo V svojem delu [13] obrav-
nava več krivulj in za nekatere tudi opiše mehanske naprave s katerimi
se jih da risati pa tudi njihovo uporabo pri reševanje enačb Beseda rdquotok-
soidardquo izvira iz dveh grških τόξον kar pomeni rdquolokrdquo (kot orožje) pa tudi
rdquopuščicardquo in εἶδος kar med drugim pomeni rdquooblika podobardquo D Uhlhorn
je imenoval krivuljo v nemščini rdquoBogenlinierdquo ker nemški samostalnik rdquoBo-
genrdquo pomeni prav tako rdquolokrdquo Iz besede τόξον smo dobili tudi besede ki
so povezane s strupi kajti bojne puščice so bile često zastrupljene
Slika 29 Toksoida
Toksoida ima tudi izolirano točkoO(00) saj njeni koordinati zadoščata
implicitni enačbi
Iz implicitne enačbe toksoide dobimo z zamenjavo y = tx njeni parametri-
čni enačbi
x(t) = a(1+ t2) y(t) = at(1+ t2) (5)
ki pa ne vključujeta izolirane točke O
51
Toksoida je algebrska krivulja tretje stopnje simetrična glede na os x
ki jo preseka za t = 0 v točki D(a0) kjer ima navpično tangento Krivulja
na prvi pogled ni nič posebnega a že D Uhlhorn je pokazal kako se kon-
struira njene posamezne točke in kako se z njo podvoji kocko
Slika 30 Konstrukcija točk toksoide
Do točke T na toksoidi pridemo takole V koordinatnem sistemu Oxy
za pozitiven a določimo točko D(a0) in skoznjo konstruiramo pravokot-
nico na os x torej premico x = a (slika 30) Na tej premici izberemo točko
A ki jo bomo spreminjali da bomo dobili krivuljo Skozi O in A nato
načrtamo premico p v A pa nanjo pravokotnico q ki seka abscisno os v
točki B V B postavimo na abscisno os pravokotnico r ki preseka premico
p v točki T Ko A potuje po premici x = a točka T opiše toksoido T brez
izolirane točke O
Da res dobimo toksoido T je treba samo zapisati enačbi y = tx premice
p in y = minus(x minus a)t + at premice q ter točki A(aat) in B(a(1 + t2)0) ter
T (a(1+t2)at(1+t2)) Koordinati točke T pa res dasta paramatrični enačbi
52
toksoide
Slika 31 Konstrukcija srednjih geometrijskih sorazmernic s toksoido
Iz podobnih trikotnikov ODA OAB in OBT na sliki 30 sledi relacija
∣OD ∣
∣OA∣=∣OA∣
∣OB∣=
∣OB∣∣OT ∣
kar pomeni da sta ∣OA∣ in ∣OB∣ srednji geometrijski sorazmernici daljic
∣OD ∣ = a in ∣OT ∣ = b Zato lahko izrazimo ∣OA∣ =3radica2b in ∣OB∣ =
3radicab2 na isti
način kot pri (3)
Če imamo že načrtano toksoido T potem srednji geometrijski sorazmer-
nici za a in b gt a dobimo tako da poiščemo presečišče T krožnice s sredi-
ščem v O skozi točko C(b0) in na zgoraj opisan način poiščemo premice
pq in r ter točki A in B (slika 31) Za b = 2a na ta način rešimo problem
podvojitve kocke ∣OA∣ = a 3radic
2
Ukrivljenost κ(t) toksoide T v točki ki ustreza parametru t brez težav
53
izračunamo iz njenih parametričnih enačb (5)
κ(t) =2(3t2 minus1)
a(1+10t2 +9t4)32
Opazimo da ukrivljenost menja predznak pri t = plusmn1radic
3 kar nam da točki
Pplusmn(4a3plusmn4aradic
39) v katerih ima T prevoja s tangentama s smernima koe-
ficientoma plusmnradic
3 Tangenti oklepata z osjo x kota plusmnπ3 Pritisnjena krožnica
v točki D ki ustreza t = 0 ima za polmer 1∣κ(0)∣ = a2 in središče v točki
S(3a20) (slika 32)
Slika 32 Prevoja toksoide T in pritisnjena krožnica v točki D
Prevoja sta konstruktibilna pri čemer si lahko pomagamo z vesico pis-
cis nad daljico OD Njeni točki Vplusmn sta narazen za aradic
3 premici skozi O
in Vplusmn pa določata smeri tangent v prevojih Prav tako je konstruktibilna
točka S V okolici točk D in Pplusmn je ujemanje toksoide s pritisnjeno krožnico
v D in tangentama v prevojih Pplusmn zelo dobro
54
Enačba toksoide T v polarnih koordinatah in ϕ je
(ϕ) =a
cos3ϕ
kar sledi iz njene implicitne oblike
a(x2 +y2) = x3
Pri tem je treba le upoštevati zvezi x2 +y2 = 2 in x = cosϕ
Polarna oblika je zelo primerna za študij inverzije na krožnici s središčem
v točki O in polmerom R Če je namreč lowast polarni polmer invertirane
krivulje mora veljati relacija
(ϕ)lowast(ϕ) =R2
Če izberemo R = a dobimo za inverzno sliko toksoide T krivuljo (slika 33)
T lowast ki ima nasledno enačbo v polarnih koordinatah
lowast(ϕ) = acos3ϕ
Slika 33 Inverzna slika T lowast toksoide T
55
Iz polarne oblike krivulje T lowast hitro izpeljemo še njeno implicitno enačbo
(x2 +y2)2 = ax3
Torej je T lowast algebrska krivulja četrte stopnje
Ploščino S lika ki ga ograjuje krivulja T lowast izračunamo po znani for-
muli
S = 2 sdot12 int
π2
0lowast2(ϕ)dϕ = a2
int
π2
0cos6ϕdϕ = a2 sdot
56
sdotπ2=
5πa2
32
Krivulja T lowast je simetrična glede na os x v točkah O in D ima navpični
tangenti največji odklon od osi x pa doseže v točkah Yplusmn(9a16plusmn3aradic
316)
kjer ima vodoravni tangenti in sicer pri polarnih kotih plusmnπ6
De Slusove pomnoževalke hiperkock
Podvojitev kocke je kot vemo klasični grški geometrijski problem ki se ga
ne da rešiti evklidsko to je samo z neoznačenim ravnilom in šestilom kar
so dokazali šele v 19 stoletju Problem zahteva določiti rob kocke ki ima
prostornino enako dvakratniku prostornine dane kocke To pomeni da
je treba za dano daljico a konstruirati tako daljico b za katero je b = a 3radic
2
Problem podvojitve kocke so Grki znali rešiti na več načinov Eden od njih
je možen s posebno ravninsko krivuljo z Dioklovo cisoido (več na primer
v [7])
Povsem smiselno se je vprašati kako bi pomnožili s faktorjem s gt 0
poljubno r-razsežno hiperkocko z robom a Njena prostornina je ar zato
je b = a rradics rob hiperkocke katere prostornina je s-kratnik prostornine
hiperkocke z robom a Dva primera sta trivialna Za r = 1 imamo daljico
56
njena rdquoprostorninardquo je kar njena dolžina a za r = 2 pa kvadrat čigar rdquopros-
torninardquo je kar njegova ploščina a2 Za r = 3 imamo opraviti z običajno
kocko z običajno prostornino a3 V prvih dveh primerih množenje s fak-
torjem s ni problematično saj s problemom lahko geometrijsko rešimo s
podobnimi trikotniki in z višinskim izrekom v pravokotnem trikotniku
Za r ge 4 si r-razsežno hiperkocko teže predstavljamo ker je ne moremo
realizirati z običajno geometrijo To pa ni ovira pri pomnožitvi take hiper-
kocke s številom s ker moramo znati samo njen rob a geometrijsko pom-
nožiti s številom rradics kar pa lahko naredimo v običajni ravnini V mate-
matični analizi je r-razsežna hiperkocka z robom a na primer kar r-kratni
kartezični produkt intervala [minusa2a2] s samim seboj to je množica
[minusa2a2]r = (x1x2 xr) isinRr ∶ ∣x1∣ le a2 ∣x2∣ le a2 ∣xr ∣ le a2
Oglejmo si de Slusove perle (2) z eksponenti mn =mminus 1 in p = 1 fak-
torjem k = 1 ter a gt 0 pri čemer je m sodo število to se pravi krivulje z
implicitno enačbo
ym = xmminus1(aminusx) (6)
oziroma xm + ym = axmminus1 Pri danem m označimo ustrezno krivuljo s Hm
Med njimi je tudi stara znanka x2 + y2 = ax krožnica s polmerom a2
in središčem v točki S(a20) Skupne vsem krivuljam so točke O(00)
Cplusmn(a2plusmna2) D(a0) ter navpični tangenti v O in D Krivulje Hm so za-
ključene in simetrične glede na os x in se dajo lepo parametrizirati z y = tx
Za vsako dobimo parametrično enačbo
x(t) =a
1+ tm y(t) =
at1+ tm
(7)
Najbolj se taka krivulja oddalji od abscisne osi za t = 1 mradicmminus1 v točkah
Yplusmn(a(mminus1)mplusmnam mradic
(mminus1)mminus1) Za t = 0 dobimo točko D za ∣t∣rarrinfin pa
57
se krivulja bliža točki O Slika 34 kaže nekaj primerov
Slika 34 Nekaj krivulj Hm
Naj bo s poljubno pozitivno število in A(0as) točka na osi y Premica
skozi A in D preseka krivuljo Hm v točkah D(a0) in B(x0y0) za katero
potrebujemo samo razmerje y0x0 Na sliki 35 je izbran eksponent m = 4
Premica skozi A in D ima enačbo xa+sya = 1 iz katere izrazimo aminusx = sy
in vstavimo v enačbo (6) Dobimo ym = ysxmminus1 Ker iščemo točko B s
pozitivno ordinato lahko z y krajšamo in dobimo y0x0 =mminus1radics
Premica skozi O in B ima enačbo y = y0xx0 in preseka premico x = a
v točki C(aay0x0) oziroma C(aa mminus1radics) Zato je ∣DC∣ = ∣OD ∣ mminus1
radics) V
primeru m = 4 in s = 2 je ∣DC∣ = ∣OD ∣3radic
2) kar pomeni da se nam je pos-
rečilo podvojiti trirazsežno kocko Za s = 3 kocko potrojimo za s = 4
početverimo itd Še več zam = 6 in s = 2 podvojimo 5-razsežno hiperkocko
58
za s = 3 jo potrojimo za s = 4 početverimo itd
Slika 35 Krivulja H4 in pomnožitev roba trirazsežne kocke
Lihih m nam ni treba posebej obravnavati ker krivulje Hm ne bi bile
prave de Slusove perle Poleg tega bi tedaj bil mminus 1 sodo število denimo
m minus 1 = 2αq z naravnim α in lihim q Korenjenje se potem da izvesti z
α-kratnim kvadratnim korenjenjem in enim q-tim korenjenjem s krivuljo
Hq+1 kakor smo zgoraj opisali
Drug način za pomnožitev hiperkock poteka s cisoidami Cm krivuljHm
in premice x = a Pri parametru t premica y = tx preseka premico x = a
v točki C(aat) točka B pa ima tedaj koordinati dani z parametričnima
enačbama (7) S koordinatami točk B in C imamo takoj
ETHBC = (aminus
a1+ tm
at minusat
1+ tm) = (
atm
1+ tmatm+1
1+ tm)
59
Slika 36 Nekaj krivulj Cm
Da bo točka T na cisoidi Cm mora veljati zvezaETHOT =
ETHBC Potemtakem ima
Cm parametrični enačbi
x(t) =atm
1+ tm y(t) =
atm+1
1+ tm (8)
Ker je t = yx dobimo še implicitno enačbo krivulje Cm
xm+1 = ym(aminusx) (9)
oziroma x(xm+ym) = aym Krivulje so za sodem definirane nad intervalom
60
[0a) so simetrične glede na os x imajo za asimptoto premico x = a in
potekajo skozi koordinatno izhodišče O in točki Cplusmn(a2plusmna2) Asimptoti
se krivulja bliža ko ∣t∣ rarr infin V točki O pri t = 0 imajo ost z vodoravno
tangento Za m = 2 dobimo staro znanko Dioklovo cisoido
Slika 37 Krivulja C4 in pomnožitev roba 5-razsežne hiperkocke
Izberimo sedaj na ordinatni osi točko A(0as) pri čemer je s pozi-
tivno število in vzemimo premico skozi točki A in D (slika 37) Ta ima
enačbo xa + y(as) = 1 iz katere izrazimo a minus x = ys Premica preseka
cisoido Cm v točki M(x0y0) s pozitivno ordinato Iz enačb premice skozi
A in D in (9) dobimo y0x0 = m+1radics Premica skozi točki O in M ima
enačbo y = y0xx0 in preseka premico x = a v točki E(aa m+1radics) Torej velja
61
zveza ∣DE∣ = ∣OD ∣ m+1radics kar pomeni da smo našli rob (m + 1)-razsežne
hiperkocke ki ima za prostornino s-kratnik prostornine dane (m + 1)-
razsežne hiperkocke
Naj bo Sm ploščina lika ki ga omejuje krivulja Hm in Qm ploščina
neomejenega lika ki ga omejuje krivulja Cm z asimptoto Ni ju težko
izraziti
Pm =a2(mminus1)πm2 sin π
m Qm =
a2(m+1)πm2 sin π
m
Nadalje naj bo Vm prostornina telesa ki nastane z rotacijo krivulje Hm
okoli osi x Wm pa prostornina neomejenega telesa ki nastane z rotacijo
krivulje Cm okoli osi x Prav tako ju ni težko izraziti
Vm =2a3(mminus1)(mminus2)π2
3m3 sin 2πm
Wm =2a3(m+1)(m+2)π2
3m3 sin 2πm
Ploščine in prostornine so poleg drugega zanimale že matematike v
17 stoletju zlasti C Huygensa Izračunajmo prostornino telesa Um ki
nastane z rotacijo lika med cisoido in njeno asimptoto okoli te asimptote
(slika 38) Uporabili bomo sodobne zapise in Eulerjevi funkciji B in Γ ki
ju C Huygens še ni mogel poznati Presek nastalega telesa na višini y je
krog s polmerom aminusx in ploščino π(aminusx)2 Upoštevamo še simetrijo lika
glede na os x uporabimo parametrično obliko (8) in nastavimo integral
Um = 2πintinfin
0(aminusx(t))2y(t)dt = 2πa3
int
infin
0
tm(tm +m+1)(1+ tm)4 dt
ki ga lahko izrazimo v obliki
Um = 2πa3(I2 + (mminus1)I3 minusmI4)
pri čemer je
Ik = intinfin
0
dt
(1+ tm)k
62
ki ima za m ge 2 in k ge 1 končno vrednost S substitucijo u = 1(1 + tm)
dobimo
Ik =1m int
1
0ukminus1minus1m(1minusu)1mminus1du =
1m
B(kminus1m1m) =Γ(k minus1m)Γ(1m)
mΓ(k)
Na koncu je rezultat zelo preprost
Um =2π2a3(m2 minus1)
3m3 sin πm
Prve tri prostornine so
U2 =π2a3
4 U4 =
5radic
2π2a3
32 U6 =
35π2a3
162
Slika 38 Telo nastalo z zasukom lika med krivuljo C2 in njeno asimptoto
okoli te asimptote
Izračunajmo prostornino telesa Um ki nastane z rotacijo lika med cisoido
in njeno asimptoto okoli osi y (slika 39) Presek nastalega telesa na višini y
63
je krožni kolobar z notranjim polmerom x in zunanjim polmerom a ki ima
ploščino π(a2minusx2) Upoštevamo še simetrijo lika glede na os x uporabimo
parametrično obliko (8) in nastavimo integral
Um = 2πintinfin
0(a2 minusx2(t))y(t)dt = 2πa3
int
infin
0
tm(tm +m+1)(2tm +1)(1+ tm)4 dt
ki ga lahko izrazimo z zgoraj vpeljanimi integrali Ik v obliki
Um = 2πa3(2I1 + (2mminus3)I2 minus (3mminus1)I3 +mI4)
Na koncu dobimo za rezultat
Um =2π2a3(m+1)(2m+1)
3m3 sin πm
Prve tri prostornine so
U2 =5π2a3
4 U4 =
15radic
2π2a3
32 U6 =
91π2a3
162
V 17 stoletju so se zanimali tudi za težišča homogenih likov in teles
Lik ki ga omejuje krivulja Hm ima težišče na abscisni osi oddaljen za xT
od osi y Da bi lahko poiskali xT moramo najprej izračunati za ta lik
moment
Mm = 2inta
0xy dx = 2int
0
infinx(t)y(t)xdt = 2a3mint
infin
0
tm
(1+ tm)4 dt
Izrazimo z integrali Ik in dobimo
Mm = 2a3m(I3 minus I4) =πa3(mminus1)(2mminus1)
3m3 sin πm
Abscisa težišča lika je potem kvocient momenta Mm in ploščine Sm
xT =(2mminus1)a
3m
64
Slika 39 Telo nastalo z zasukom lika med krivuljo C2 in njeno asimptoto
okoli osi y
Lik omejen s krivuljo Cm ima težišče na abscisni osi oddaljen za xC
od osi y Da bi poiskali xC uporabimo kar PaposndashGuldinovo pravilo za
prostornino vrtenine
2πxC sdotQm = Um
kjer je Qm ploščina lika ki ga rotiramo okoli osi y Rezultat je proti vsem
pričakovanjem zelo preprost
xC =(2m+1)a
3m
Poznoantični matematik Papos iz Aleksandrije (290ndash350) v grščini Πάπ-
πος ὁ Αλεξανδρεύς v latinščini Pappus je pomemben ker je zbral prak-
tično vse dotakratno matematično znanje Grkov in dodal še marsikaj svo-
65
jega Njegovo najpomembnejše delo je rdquoZbirkardquo v grščini Συναγωγή Uk-
varjal se je tudi s klasičnimi grškimi geometrijskimi problemi
Jezuit Paul Guldin (1577ndash1643) je bil švicarski matematik in astronom
profesor matematike na Dunaju in v Gradcu Pred tem je študiral v Rimu
Skupaj s Paposom je znan
po pravilih za izračun prostornine rotacijskega telesa in površine rotacij-
ske ploskve
Slika 40 Telo nastalo z zasukom lika ki ga omejuje H4 okoli osi y
ProstorninaXm vrtenine ki nastane z rotacijo lika omejenega s krivuljo
Hm okoli osi y je po PaposndashGuldinovem pravilu za prostornino enaka
Xm = 2πxT sdot Pm = 2π(2mminus1)a
3msdota2(mminus1)πm2 sin π
m=
2π2a3(2mminus1)(mminus1)3m3 sin π
m
Slika 40 kaže vrtenino za primer krivulje H4 Podobne slike bi dobili tudi
za druge Hm
Če isti lik rotiramo okoli premice x = a tangente na krivuljo Hm v
točki D dobimo vrtenino s prostornino Ym ki jo izračunamo prav tako
66
po PaposndashGuldinovem pravilu za prostornino in dobimo
Ym = 2π(aminusxT ) sdot Pm = 2π(m+1)a
3msdota2(mminus1)πm2 sin π
m=
2π2a3(m2 minus1)3m3 sin π
m
Opazimo da je prostornina Ym enaka prostornini Um telesa ki nastane
z rotacijo lika med krivuljo Cm in njeno asimptoto okoli te asimptote
Dokler ni bil razvit infinitezimalni račun kakršnega poznamo danes
so računali ploščine težišča prostornine in površine za vsak primer pose-
bej Veliko so se v 17 stoletju pa tudi že prej znani matematiki ukvarjali
s cikloido na primer N Kuzanski M Mersenne G Galilei G P de Rober-
val C Wren G Cardano B Pascal I Newton G W Leibniz C Huygens
je neko njeno lastnost uporabil pri izdelavi ure na nihalo
Evdoksova kampila
Oglejmo si naslednjo konstrukcijo točk krivulje V točki D(a0) pri čemer
je a gt 0 postavimo pravokotnico p na abscisno os Na p izberemo točko
A ki jo bomo kasneje premikali po tej premici Skozi O in A načrtamo
premico q in skozi A krožnico s središčem v koordinatnem izhodišču O
Krožnica preseka abscisno os v točkah B in Bprime ki sta simetrični glede na
točko O V B in Bprime konstruiramo pravokotnici r in rprime na os x ki presekata
p v točkah T in T prime ki sta tudi simetrični glede na točko O Ko teče točka
A po premici p opišeta T in T prime dvodelno krivuljo ki so jo poimenovali
rdquoEvdoksova kampilardquo Točka T opiše njeno desno vejo T prime pa levo Krivulja
je očitno simetrična glede na obe koordinatni osi (slika 41)
Enačbo desne veje dobljene Evdoksove kampile je najlaže najprej izraz-
iti v polarnih koordinatah nato pa še v implicitni obliki v pravokotnih
67
Slika 41 Konstrukcija točk Evdoksove kampile
kartezičnih koordinatah Za polarni kot ϕ vzamemo naklonski kot pre-
mice q za polarni radij pa razdaljo ∣OT ∣ (slika 41) Najprej očitno veljata
zvezi ∣OA∣ = ∣OD ∣cosϕ = acosϕ in = ∣OT ∣ = ∣OB∣cosϕ = ∣OA∣cosϕ iz
katerih dobimo = acos2ϕ tako da je nazadnje pri pogoju minusπ2 ltϕ ltπ2
polarna enačba desne veje Evdoksove kampile
(ϕ) =a
cos2ϕ (10)
Obe veji krivulje imata implicitno obliko
a2(x2 +y2) = x4 (11)
ki jo dobimo iz polarne oblike z upoštevanjem zvez 2 = x2 + y2 in cosϕ =
x Krivulja v obliki (11) ima izolirano točko O(00) ki je posledica del-
jenja z ki je lahko tudi enak 0 Evdoksova kampila je algebrska krivulja
četrte stopnje
Z Evdoksovo kampilo se da podvojiti kocko Načrtamo krožnico s
središčem v točkiD in polmerom a Njena enačba je x2+y2 = 2ax Vstavimo
68
Slika 42 Podvojitev kocke z Evdoksovo kampilo
2ax namesto x2 + y2 v (11) in dobimo enačbo x4 minus2a3x = x(x3 minus2a3) = 0 ki
ima realni rešitvi x0 = 0 in x1 = a 3radic
2 V prvem kvadrantu se krožnica in
Evdoksova kampila sekata v točki T (a 3radic
2aradic
2 3radic
2minus 3radic
4) kar pomeni da
ima točka T absciso
∣T0T ∣ = b = a 3radic2
Kocka z robom b ima prostornino b3 = 2a3 torej dvakratnik prostornine
kocke z robom a
Grška beseda καμπύλος pomeni rdquokriv zavit upognjenrdquo v ženski ob-
liki καμπύλη beseda γραμμή pa rdquočrta potezardquo Polno ime krivulje je v
grščini καμπύλη γραμμή torej rdquokriva črtardquo na kratko so jo poimenovali kar
rdquokampilardquo kateri so dodali še Evdoksovo ime Evdoks iz Knida (408ndash355
pnš) Εὔδοξος ὁ Κνίδιος je bil starogrški matematik in astronom Bil je
Arhitov učenec v Tarentu grško Τάρας in Platonov na Akademiji v Ate-
nah Obiskal je tudi Sicilijo in Egipt Kasneje je ustanovil svojo šolo v
Kiziku grško Κύζικος ob Mramornem morju ali Propontidi grško Προ-
ποντίς Pomemben je njegov doprinos v teoriji razmerij in nesoizmerljivih
količin kar je uporabil Evklid Εὐκλείδης v svojih Elementih Στοιχεῖα
69
Grška beseda εὔδοξος pomeni med drugim rdquosloveč slaven ugledenrdquo
V astronomiji je Evdoks zagovarjal geocentrični svetovni sistem in za
pojasnitev gibanja planetov in Lune uvedel sistem koncentričnih sfer ki
se vrtijo ena v drugi S tem v zvezi je uvedel še eno krivuljo ki jo poznamo
pod imenom rdquoEvdoksova hipopedardquo
Problem podvojitve kocke je na svojevrsten način s torusom valjem
in stožcem rešil pitagorejec in vojaški poveljnik Arhitas iz Tarenta v južni
Italiji grško Αρχύτας ὁ Ταραντίνος rojen med letoma 435 in 410 umrl
pa med letoma 360 in 350 pnš Morda je Evdoks Arhitovo prostorsko
rešitev problema podvojitve kocke poenostavil na reševanje v ravnini in
tako prišel do svoje kampile Dokazano to ni nikjer ve se le da mu je
rešitev uspelo najti z neko krivuljo Način reševanja pa je podoben reše-
vanju z Uhlhornovo toksoido ki ima tudi podobno enačbo v polarni obliki
(ϕ) = acos3ϕ
Tako Uhlhornova toksoida kot Evdoksova kampila spadata v skupino
Clairautovih krivulj = acosnϕ ali = asinnϕ Če je n racionalno število
je Clairautova krivulja algebrska Alexis Claude Clairaut (1713ndash1765) je
bil francoski matematik in astronom
Evdoksovo kampilo brez izolirane toke O parametriziramo kar s po-
larnim kotom
x(ϕ) =a
cosϕ y(ϕ) =
asinϕcos2ϕ
Njena ukrivljenost κ(ϕ) se izraža v obliki
κ(ϕ) =cos3ϕ(3sin2ϕ minus1)
a(3sin2ϕ +1)32
Ukrivljenost spremeni predznak pri kotu ϕ za katerega je 3sin2ϕ minus1 = 0
V takih točkah ima krivulja prevoje Evdoksova kampila ima štiri in sicer
70
Slika 43 Desna veja Evdoksove kampile prevoja in pritisnjena krožnica
v točkah (plusmnaradic
62plusmnaradic
32) Strmini tangent v teh točkah sta plusmn2radic
2 Os x
presekata za desno vejo v točki G(3aradic
680) Krivinski polmer v točkah
D inDprime je enak a Središče pritisnjene krožnice v točkiD je v točki S(2a0)
Približno ujemanje krivulje tangent v prevojih Pplusmn in pritisnjene krožnice v
temenu D kaže slika 43 Ujemanje bi lahko izkoristili za približno podvo-
jitev kocke Če namesto Evdoksove kampile vzamemo kar njeno tangento
y = 2radic
2(xminusaradic
62)+aradic
32
v prevoju v prvem kvadrantu in poiščemo absciso ξ presečišča s krožnico
x2 +y2 = 2ax dobimo
ξa=
118
radic
24radic
6minus23+
radic6
3+
19≐ 1259956951
namesto točnejše vrednosti
3radic
2a
≐ 1259921049
71
Če bi podoben račun naredili za Uhlhornovo toksoido ki se v prevojih
tudi približno ujema s tangentama bi dobili slabši rezultat
Zgoraj opisani približek lahko izkoristimo za precej natančno evklid-
sko konstrukcijo roba b podvojene kocke z robom a V koordinatnem sis-
temu Oxy narišemo krožnico s polmerom a s središčem v točki D(a0)
skozi O pa konstruiramo premico p z naklonskim koeficientom k = 2radic
2
Na abscisni osi konstruiramo točkoG(3aradic
680) in skoznjo premico q vz-
poredno s p Presečišče te premice s krožnico je točka T njena pravokotna
projekcija na os y pa točka T0 Razdalja b = ∣T0T ∣ je dober približek za
a 3radic
2 (slika 44) Pri tem izkoristimo izraza za diagonalo kvadrata in višino
enakostraničnega trikotnika v katerih nastopataradic
2 inradic
3 s kombinacijo
obeh pa šeradic
6 Podrobnosti so izpuščene z malo truda lahko konstrukcije
izvede vsak sam
Slika 44 Približna podvojitev kocke
Zrcalno sliko Evdoksove kampile (11) na krožnici x2 + y2 = a2 takoj
dobimo iz polarne oblike njene desne veje lowast(ϕ) = acos2ϕ Z zapisom v
pravokotnih kartezičnih koordinatah dobimo implicitno obliko za celotno
prezrcaljeno krivuljo
(x2 +y2)3 = a2x4
72
Krivulja je algebrska šeste stopnje Simetrična je glede na obe koordinatni
osi Njeni največji odkloni od osi x so pri polarnih kotih ϕ za katere je
3sin2ϕ = 1 to je v točkah (plusmn2aradic
69plusmn2aradic
39) kjer ima krivulja vodo-
ravni dvojni tangenti
Slika 45 Zrcaljenje Evdoksove kampile na krožnici
Nova krivulja spada med Clairautove Ploščina P obeh delov jajčastih
oblik je
P = 4 sdota2
2 intπ2
0cos4ϕdϕ = 2a2 sdot
34
sdotπ2=
3πa2
8
Problem podvojitve kocke grško διπλασιασμός τοῦ κύβου ali deloški
problem poimenovan po grškem otoku Delosu v Egejskem morju je reše-
valo več grških geometrov ki so celo skušali izdelati v ta namen posebno
orodje Platon je pograjal Evdoksove Arhitove in Menajhmove učence
češ da njihovi napori kvarijo kar je dobrega v geometriji Nastal je celo
epigram (puščica zbadljivka) v zvezi s podvojitvijo kocke ki je zapisan v
Evtokijevih komentarjih k Arhimedovi razpravi rdquoO krogli in valjurdquo grško
Περὶ σφαίρας καὶ κυλίνδρου Matematik in neoplatonist Evtokij iz Aškalona
v Palestini Εὐτόκιος ὁ Ασκαλονίτης je bil poznoantični matematik rojen
73
okoli leta 480 umrl pa je okoli leta 520 O njem se ve bore malo Nekaj
časa je deloval v Atenah nazadnje pa v Aleksandriji Napisal je tudi ko-
mentarje k Apolonijevi razpravi rdquoStožnicerdquo v grščini Κωνικά Na stožnice
se je v srednjem kar nekoliko pozabilo zanimanje zanje je spet oživelo
šele v času Keplerja in Newtona ko je bil potreben opis gibanja planetov
v heliocentričnem svetovnem sistemu
Navedimo omenjeni epigram v grščini in v prevodu S Weiss (vzeto iz
obsežnega knjižnega dela v treh delih [3])
Μηδὲ σύ γrsquo Αρχύτεω δυσμήχανα ἔργα κυλίνδρων
μηδὲ Μεναιχμείους κωνοτομεῖν τριάδας
διζήσηι μηδrsquo εἴ τι θεουδέος Εὐδόξοιο
καμπύλον ἐν γραμμαῖς εἶδος ἀναγράφεται
Težkih Arhitovih del s cilindri nikar ne posnemaj
stožnic Menajhmovih treh nikdar izsekal ne boš
niti ne boš spoznal če božanskega črte Evdoksa
res zarišejo lik tak iz zavitih kampil
Videli smo kaj vse se da povedati o neki krivulji če obvladamo in-
finitezimalni račun Seveda nam je to sedaj ko imamo na voljo najnovejše
pripomočke in obsežno ter dostopno matematično literaturo veliko laže
kot je bilo matematikom v 17 stoletju ko so v marsičem še orali ledino
Pomembni znanstveniki rojeni v 17 stoletju
Navedimo nekaj pomembnih znanstvenikov predvsem matematikov fizi-
kov in astronomov ki so se rodili v 17 stoletju Razvrščeni so po letnicah
74
rojstva Veliko podatkov dobimo v [1 5] in na svetovnem spletu
Gilles Personne de Roberval (1602ndash1675)
Pierre de Fermat (1607ndash1665)
Giovanni Alfonso Borelli (1608ndash1679)
Evangelista Torricelli (1608ndash1647)
John Pell (1610ndash1685)
Johann Hevel (1611ndash1687)
Frans van Schooten (1615ndash1660)
Carlo Renaldini (1615ndash1698)
John Wallis (1616ndash1703)
Henry Oldenburg (1618ndash1677)
Michelangelo Ricci (1619ndash1682)
William Brouncker (1620ndash1684)
Edmeacute Mariotte (1620ndash1684)
Jean Picard (1620ndash1682)
Vincenzo Viviani (1622ndash1703)
Reneacute-Franccedilois de Sluse (1622-1685)
Blaise Pascal (1623ndash1662)
Giovanni Domenico Cassini (1625ndash1712)
Robert Boyle (1627ndash1691)
Christiaan Huygens (1629ndash1695)
Isaac Barrow (1630ndash1677)
Ehrenfried Walther von Tschirnhaus (1631ndash1708)
Christopher Wren (1632ndash1723)
Johann Hudde (1633ndash1704)
Robert Hooke (1635ndash1703)
75
William Neile (1637ndash1670)
James Gregory (1638ndash1675)
Philippe de la Hire (1640ndash1719)
Isaac Newton (1643ndash1727)
Olaus Roslashmer (1644ndash1710)
Gottfried Wilhelm Leibniz (1646ndash1716)
Denis Papin (1647ndash1712)
Michel Rolle (1652ndash1719)
Pierre Varignon (1654ndash1722)
Jacob Bernoulli (1655ndash1705)
Edmund Halley (1656ndash1742)
Guillaume Franccedilois Antoine LrsquoHocircpital (1661ndash1704)
David Gregory (1661ndash1708)
Abraham de Moivre (1667ndash1754)
Johann Bernoulli (1667ndash1748)
Jacopo Francesco Riccati (1676ndash1754)
Giulio Carlo Fagnano (1682ndash1766)
Roger Cotes (1682ndash1716)
Reneacute Antoine Reacuteaumur (1683ndash1757)
Greacutegoire de Saint-Vincent (1584ndash1667)
Brook Taylor (1685ndash1731)
Gabriel Daniel Fahrenheit (1686ndash1736)
Colin Maclaurin (1698ndash1746)
Pierre Louis Moreau de Mapertuis (1698ndash1759)
76
Viri
[1] I Asimov Biografska enciklopedija znanosti in tehnike Tehniška za-
ložba Slovenije Ljubljana 1978
[2] J Bair V Henry Sluse ses perles et son algorithme Losanges 14
(2011) str 14ndash18 httphdlhandlenet2268100155 (videno 10
7 2021)
[3] G Kocijančič (urednik) Fragmenti predsokratikov Študentska za-
ložba Ljubljana 2012
[4] G Loria Spezielle algebraische und transscendente ebene Kurven
Teubner Leipzig 1902
[5] U C Merzbach C B Boyer A History of Mathematics John Wiley amp
Sons Hoboken New Jersey 2011
[6] J J OrsquoConnor E F Robertson Reneacute Franccedilois Walter de Sluze MacTu-
tor
httpsmathshistoryst-andrewsacukBiographiesSluze
(videno 10 7 2021)
[7] B von Pape Von Eudoxus zu Uhlhorn Books on Demand Norderstedt
2019
[8] M Razpet Pomnožitev hiperkocke Obzornik mat fiz 68 (2021) št 1
str 1-9
[9] M Razpet in N Razpet Prepogibanje papirja podvojitev kocke in
Slusova konhoida Obzornik mat fiz 67 (2020) št 2 str 41-51
77
[10] Y Renotte Reneacute de Sluze dialogues avec Christiaan Huygens
Bulletin de lrsquouniversiteacute du 3e acircge - Liegravege 23 (2021) 4 strani
httphdlhandlenet22682596400 (videno 10 7 2021)
[11] R F Slusius Mesolabum seu duaelig mediaelig proportionales inter ex-
tremas datas per circulum et ellipsim vel hyperbolam infinitis modis
exhibitaelig Leodii Eburonum Liegravege 1659
[12] R F Slusius Mesolabum seu duaelig mediaelig proportionales inter ex-
tremas datas per circulum et per infinitas hyperbolas vel ellipses et
per quamlibet exhibitaelig ac problematum omnium solidorum effectio
per easdem curvas Leodii Eburonum Liegravege 1668
[13] D Uhlhorn Entdeckungen in der houmlhern Geometrie theoretisch und
practisch abgehandelt Schulzersquosche Buchhandlung Oldenburg 1809
[14] I Vidav Algebra Mladinska knjiga Ljubljana 1972
Avtor se zahvaljuje prof dr Milanu Hladniku za strokovni pregled
copy(2021) Marko Razpet
78
Slika 3 Mesolabum druga izdaja 1668
nosti analitično definiranih krivulj predvsem algebrskih pa tudi spiral in
cikloid ki so bile takrat modne teme Pomembni problemi v tistih časih so
bili kako definirati in konstruirati tangento na krivuljo kako izračunati
ploščino lika ki ga ograjuje taka krivulja kako izračunati njeno dolžino
in kako izračunati prostornino in površino teles ki niso omejena samo z
ravninskimi ali sferičnimi liki G W Leibniz je pri de Slusu in Descartesu
našel marsikatero idejo pri razvoju infinitezimalnega računa in analitične
geometrije Ni čudno da je Huygens v nekem v pismu H Oldenburgu
dal o de Slusu naslednje mnenje rdquoSlusius eotilde geometrarum quos novi
omnium doctissimus candidissimusquerdquo rdquoSluse je od geometrov kar jih
poznam najbolj učen in jasenrdquo
10
Prav tako so bili v de Slusovem času še vedno aktualni problemi reše-
vanja algebrskih enačb tretje in četrte stopnje čeprav so to znali že itali-
janski matematiki S del Ferro N Tartaglia G Cardano in L Ferrari Še
vedno pa so bili živi antični problemi kvadrature kroga trisekcije kota in
podvojitve kocke s katerimi so se ubadali grški geometri Kot je znano gre
pri problemu podvojitve kocke za konstrukcijo kocke s prostornino ki je
dvakrat večja od prostornine dane kocke Problema se ne da rešiti z neoz-
načenim ravnilom in šestilom kot si je zamislil Platon pač pa s pomočjo
nekaterih algebrskih krivulj ali pa s posebnimi mehanskimi napravami
De Sluse je obravnaval geometrijsko reševanje algebrskih enačb tretje in
četrte stopnje z uporabo presečišč stožnic Descartes je pokazal da se
problem lahko rešuje z iskanjem presečišč parabole in krožnice de Sluse
pa je pokazal da lahko parabolo nadomestimo s katerokoli stožnico kar
se je izkazalo za veliko bolj prilagodljivo in elegantno kot Descartesova
metoda Svojo metodo je pod velikim vplivom Viegravetovih in drugih del
razvil v delu rdquoMesolabumrdquo (1659) še posebej v njegovi drugi izdaji (1668)
Celotna naslova izdaj nista popolnoma identična (glej [11 12]) Razvil je
tudi postopek za iskanje subtangente in s tem tangente katerekoli alge-
brske krivulje in to brez uporabe odvoda funkcije kakršnega poznamo
dandanes
Na sliki 3 opazimo v letnici izdaje de Slusovega Mesolabuma tudi malo
drugačen zapis rimskih številk za 500 in 1000 Navajeni smo ju pisati v
obliki D in M Namesto D so svoj čas pisali I in narobe obrnjen C torej
I C kar je skoraj D Za M pa CI C Število I Cje druga polovica od CI C
kar je v soglasju z dejstvom da je 500 polovica od 1000 Razlog za tako
pisavo sega v čas starih Grkov Etruščanov in Rimljanov Baje so nekoč
uporabljali za 1000 črko Φ iz katere se je razvila oznaka CI C iz te pa M
11
Eratostenov mesolabum
Beseda rdquomesolabumrdquo je zelo stara Izvira iz grške besede μεσολάβος (morda
tudi iz μεσολάβον) ki je v antiki pomenila posebno geometrijsko orodje
za določevanje prve in druge srednje geometrijske sorazmernice Beseda
izvira iz grške μέσος kar pomeni rdquosrednjirdquo in λαμβάνω kar pomeni rdquovza-
mem primem zgrabim pograbim popadem ulovimrdquo Glagolska os-
nova je λαβ- je tista iz katere izhajata nedoločnik λαβεῖν in aorist λάβον
Mesolabum je potemtakem tisto s čimer lovimo sredino lovilec sredin
Podobna beseda je rdquoastrolabrdquo starodavna astronomska naprava za določe-
vanje položaja zvezd v grščini ἀστρολάβον ὄργανον
V grških besedilih je glagol λαμβάνω eden od osnovnih in kot tak zelo
pomemben V taki ali drugačni obliki je zato zelo pogost Za primer
navedimo iz Odiseje (XXIV 397ndash399 prevod A Sovregrave )
ὣς ἄρ ἔφη Δολίος δv ἰθὺς κίε χεῖρε πετάσσας
ἀμφοτέρας ᾿Οδυσεῦς δὲ λαβὼν κύσε χεῖρv ἐπὶ καρπῷ
καί μιν φωνήσας ἔπεα πτερόεντα προσηύδα
To je dejal Približa se Dolios rok mu razpetih
prime gospoda v zapestju roko mu ginjen poljubi
z glasom obrne se k njemu pa reče krilate besede
V latinščini imenujejo mesolabum tudi rdquomesolabiumrdquo kar se čudno
sliši ker beseda rdquolabiumrdquo pomeni ustnica Iz besede rdquolabiumrdquo so izvedene
še druge V fonetiki imamo glasove ki jih sooblikujemo z ustnicami in se
zato imenujejo rdquolabialirdquo na primer rdquoprdquo in rdquobrdquo
12
Mesolabum je iznašel Eratosten iz Kirene (276ndash195 pnš) grško ᾿Ερα-
τοσθένης ὁ Κυρηναῖος ki je deloval v Aleksandriji kot vodja tamkajšnje
slavne knjižnice ki je bila del Muzejona hiše učenosti in umetnosti grško
Μουσεῖον τῆς Αλεξανδρείας in je najbolj znan po svojem situ za iskanje
praštevil in po izračunu velikosti Zemlje Pri mesolabumu gre za to kako
mehansko določiti prvo in drugo srednjo geometrijsko sorazmernico x in
y daljic a in b kjer je 0 lt a lt b Srednji geometrijski sorazmernici x in y
morata zadoščati relacijiax=xy=y
b (1)
Če označimo te tri kvociente z λ in jih med seboj zmnožimo dobimo
axsdotxysdoty
b=ab= λ3
To pomeni da je
λ = 3
radicab x =
3radica2b y =
3radicab2
Pri tem velja relacija a lt x lt y lt b ki je posledica relacije
a3 = a2a lt a2b = aab lt abb = ab2 lt bb2 = b3
iz katere sledi po kubičnem korenjenju a lt3radica2b lt
3radicab2 lt b Zato lahko
rečemo da sta x in y sredini daljic a in b saj sta med a in b
Za b = 2a je x = a 3radic
2 in y = a 3radic
4 To pomeni da se s tem posreči pod-
vojiti in početveriti kocko Kocka z robom x ima namreč dvakrat kocka z
robom y štirikrat večjo prostornino kot kocka z robom a in dvakrat večjo
kot kocka z robom x ker je x3 = 2a3 in y3 = 4a3 = 2x3 Prvi ki je prišel na
idejo poiskati srednji geometrijski sorazmernici x in y za a in b = 2a je bil
v 5 stoletju pnš živeči Hipokrat z otoka Hios v grščini ῾Ιπποκράτης ὁ
Χῖος Skušal je rešiti problema podvojitve kocke in kvadrature kroga
13
Eratosten je bil nad svojim izumom mesolabuma tako navdušen da je
en primerek baje daroval v nekemu templju sicer pa ga je posvetil kralju
Ptolemaju III (284ndash222 pnš) imenovanemu tudi Ptolemaj Dobrotnik
grško Πτολεμαῖος Εὐεργρέτης
Slika 4 Osnovni elementi Eratostenovega mesolabuma
Sedaj je čas da opišemo Eratostenov mesolabum Njegov je bil sicer
izdelan iz lesa slonove kosti in kovin mi pa si ga bomo ogledali she-
matično geometrijsko uporabljajoč pravokotnike trikotnike daljice pre-
mice točke razmerja in sorazmerja
V ravnini so postavljeni skladni pravokotniki A1B1C1D1 A2B2C2D2 in
A3B3C3D4 s stranicami A1B1 A2B2 in A3B3 na skupni premici na kateri
ostanejo ves čas v nadaljevanju opisanega postopka Vse stranice pra-
vokotnikov pravokotne na to premico imajo dolžino b Dolžina pre-
ostalih stranic ni pomembna Na stranici B3C3 izberemo točko T tako
da je ∣B3T ∣ = a Prvi pravokotnik je negiben preostala dva pa lahko dr-
sita po premici tako da se tretji lahko skrije pod drugega drugi pa pod
prvega S tem lahko gibljiva dva postavimo tako da dobimo daljice dolžin
14
x in y ki skupaj z a in b zadoščajo relaciji (1) Pravokotniki so razdeljeni z
med seboj vzporednimi diagonalami na pravokotne trikotnike (slika 4)
Slika 5 Premik pravokotnikov Eratostenovega mesolabuma
Ko premikamo drugi pravokotnik pod prvega njegova diagonala B2D2
prej ali slej seka stranico B1C1 negibnega pravokotnika denimo v točki
E Ko pa premikamo tretji pravokotnik pod drugega njegova diagonala
B3D3 prej ali slej seka stranico B2C2 drugega pravokotnika denimo v točki
F Cilj premikanja pravokotnikov sem in tja je doseči kolinearnost točk
D1EF in T Kot bomo kmalu videli takrat x = ∣B2F∣ in y = ∣B1E∣ ustrezata
relaciji (1)
Kolinearnost točk D1EF in T dosežemo s postopkom ki mu učeno
rečemo rdquoiteracijardquo Malo premaknemo drugi pravokotnik nato malo tret-
jega pa zopet drugega itd dokler s svojo spretnostjo ne dosežemo zado-
voljive natančnosti V natančni legi označimo u = ∣B1D1∣ v = ∣B2E∣ in
w = ∣B3F∣ Te daljice so med seboj vzporedne (slika 6) in zaradi podob-
nosti trikotnikov A1B1D1 B1B2E in B2B3F ter trikotnikov B1ED1 B2FE in
15
Slika 6 Končna lega pravokotnikov Eratostenovega mesolabuma
B3T F dobimo sorazmerja
bu=y
v=xwy
u=xv=aw
iz katerih sledijo relacije
xw = av xv = yw yv = ux bv = uy
Iz prve druge tretje in četrte dobimo po vrsti
ax=wvwv=xyxy=vuvu=y
b
Sedaj je nedvomno razvidno da je res
ax=xy=y
b
Tako lahko z Eratostenovo napravo najdemo prvo in drugo srednjo ge-
ometrijsko sorazmernico daljic a in b Podobno bi lahko našli tudi več
srednjih geometrijskih sorazmernic daljic a in b
16
So pa matematiki že davno odkrili da se da srednji geometrijski so-
razmernici najti tudi s parabolama Iz relacije (1) namreč sledita preprosti
zvezi
x2 = ay y2 = bx
V prvi spoznamo enačbo parabole ki ima za simetralo ordinatno os gorišče
v točki F(0a4) in vodnico y = minusa4 v drugi pa enačbo parabole ki ima za
simetralo absciso os gorišče v točki G(b40) in vodnico x = minusb4 (slika 7)
Slika 7 Do srednjih geometrijskih sorazmernic s parabolama
Paraboli se sekata v točkah O(00) in A(3radica2b
3radicab2) Konstrukcijo je
odkril Menajhmos grško Μέναιχμος ki je živel v 4 stoletju pnš Prvi je
vpeljal stožnice kot preseke stožca z ravnino Teorijo stožnic je temeljito
obdelal Apolonij iz Perge (265ndash170 pnš) grško Απολλώνιος ὁ Περγαῖος
Njegove knjige so matematiki uporabljali še vse do Newtonovih časov
Prav tako pridemo do srednjih geometrijskih sorazmernic če poiščemo
presečišči parabole x2 = ay z goriščem F(0a4) in vodnico y = minusa4 ter
krožnice x2 + y2 = bx + ay ki ima središče v točki S(b2a2) in premer
17
Slika 8 Do srednjih geometrijskih sorazmernic s parabolo in krožnico
d =radica2 +b2 Parabola in krožnica se sekata v točkah O in A(
3radica2b
3radicab2)
(slika 8) kar potrdi preprost račun Opisano konstrukcijo je obvladal Reneacute
Descartes Menajhmos in Descartes sta pokazala da se z njunima kon-
strukcijama da rešiti problem podvojitve kocke Za b je treba v opisanih
postopkih vzeti 2a Pripomnimo še da je bila starogrška matematika
pretežno matematika razmerij in sorazmerij in tako je bilo še celo vrsto
stoletij Srednjo geometrijsko sorazmernico x daljic dolžin a in b tako
da velja a ∶ x = x ∶ b iz česar sledi x =radicab se da konstruirati z neoz-
načenim ravnilom in šestilom Spomnimo se na višinski izrek v pravokot-
nem trikotniku ki je pravzaprav posledica podobnosti dveh trikotnikov
na katera višina na hipotenuzo razdeli pravokotni trikotnik
Pri dveh srednjih geometrijskih sorazmernicah x in y pa se kot smo
videli pojavi kubični koren ki pa z omenjenima geometrijskima orodjema
ni konstruktibilen To so matematiki dokazali šele v 19 stoletju Do takrat
so problem skušali rešiti na druge načine in pri tem odkrili nove krivulje
tako da njihov trud le ni bil popolnoma zaman Geometrijski objekt bo za
18
nas rdquokonstruktibilenrdquo če se ga da konstruirati z neoznačenim ravnilom in
šestilom
Drugo de Slusovo delo
De Sluse še vedno velja za izjemno učenega človeka nadarjenega za mate-
matiko izumiteljstvo in posploševanje Njegovo ime je še danes povezano
z njegovimi konhoidami in perlami De Slusova konhoida (slika 9) ki ima
implicitno obliko
(xminus c)(x2 +y2)minus2cx2 = 0
je precej natančno obravnavana v članku [9]
Slika 9 Slusova konhoida
Reneacute de Sluse se ni ukvarjal le z matematiko ampak tudi z astronomijo
fiziko naravoslovjem in seveda teologijo Pogosto se je pritoževal nad
omejitvami ki so mu jih nalagale njegove verske in upravne funkcije
Ni veliko eksperimentiral ker za to ni imel posebnega veselja pa tudi
ne tehničnih možnosti Je pa predlagal drugim zlasti Huygensu da naj
naredijo tak ali drugačen eksperiment Z zanimanjem je bral prepovedane
19
knjige N Kopernika G Galileja in J Keplerja ter kritiziral prizadevanja za
obnovitev starih konceptov Pisal je že o ekscentričnosti v zvezi s Soncem
Zdi se da je za svoje izračune uporabljal oba sistema heliocentričnega
in geocentričnega Rad je opazoval zvezdnato nebo Tako v kemiji kot
drugje se je znašel na razpotju Prebral je modne knjige o alkimiji in
celo ponovil poskus sublimacije antimona v belo barvo vendar je bila nje-
gova razlaga odločno korpuskularna saj je uporabljal Boylove zamisli o
strukturi tekočega in trdnega stanja V podporo temu je izvajal poskuse
zamrzovanja različnih raztopin in študiral sestavo lojevca V medicinski
kemiji se je zanimal za zdravilne vode in jih tudi analiziral
V fiziki sta ga je posebej zanimala merjenje temperature in praktična
termometrija Če ne upoštevamo odkritij E Torricellija in B Pascala o
vplivu atmosferskega tlaka na zračni termometer je de Sluse leta 1664
izumil svoj termometer z voščeno kroglico pomešano s peskom ki se je
gibala v stekleni cevi zaprti na dnu napolnjeni s slano vodo tako da je
bila kroglica bolj ali manj potopljena v sredini cevi kar je opisal v pismih
Huygensu Kroglica je označevala vsako spremembo v zraku iz toplejšega
na hladnejše ko se je spuščala ali dvigala Huygens je odgovoril da je
njegov termometer prepočasen vendar je zanesljivejši od drugih istovrst-
nih termometrov ker je manj podvržen vplivu atmosferskega tlaka Žal
ni poznal florentinskega termometra ko je svojim dopisnikom vključno s
Huygensom in Oldenburgom povedal o svojem izumu Florentinski ter-
mometri so pomenili odločilen korak naprej pri merjenju temperature
Bili so prvi ki so omogočali natančne meritve Pred iznajdbo v Firencah
okoli leta 1650 so bili stari modeli zelo približni določali so ali je pred
nami nekaj hladnega ali vročega ne da bi lahko odčitali ali ocenili tem-
peraturo Razlika je v tem da je steklena cev zaprta tako da je vpliv tlaka
20
odpravljen Uporabljali so se predvsem petdesetstopinjski termometri
Taki termometri so večinoma služili za določanje nihanja temperature zra-
ka v zaprtih prostorih in na prostem Oblikovanje termometra je takrat
pomenilo tudi določitev njegove merilne lestvice vendar še brez Celzijevih
ali Fahrenheitovih stopinj Pri tem so bile stopinje enakomerno razpore-
jene med dvema skrajnostma in sicer med nivojem najhladnejše tekočine
pozimi (nizka točka) in nivojem najbolj vroče tekočine poleti (visoka točka)
Zaradi teh zelo relativnih vrednosti je primerjava meritev med dvema ter-
mometroma nezanesljiva Ob upoštevanju pripomb jo je večkrat spreme-
nil in jo ponovno predložil Oldenburgu do leta 1669 ko je R Boyle izrazil
negativno mnenje glede topnosti voska kroglic v slani tekočini Po tem da-
tumu termometer ni bil nikoli več omenjen De Sluse je zboljšal različne
instrumente ure številčnice barometre Ker ga je motilo prerekanje med
raziskovalci glede avtorstva odkritij je po Oldenburgovi smrti leta 1677
končal svojo znanstveno dejavnost
Šele v 18 stoletju so razvijali temperaturne merilne lestvice C Re-
naldini (1694) O C Roslashmer (1702) G Fahrenheit (1717) Reneacute-Antoine
F de Reacuteaumur (1730) in A Celsius (1741) Enota kelvin (K ndash v čast lordu
Kelvinu 1824-1907) osnovna enota mednarodnega sistema enot za tem-
peraturo je bila uvedena šele leta 1954
De Sluse je bil tudi zgodovinar Napisal je knjigo o smrti sv Lam-
berta škofa v Tongresu ki je bil ubit na kraju kamor je sv Hubert njegov
naslednik prenesel sedež svoje škofije Kraj se je kasneje razvil v Liegravege
Druga zgodovinska študija se nanaša na slavnega maastrichtskega škofa
sv Servacija Med de Slusovimi neobjavljenimi rokopisi je tudi zgodovina
Koumllna Pripomnimo še da je sv Hubert zavetnik lovcev matematikov
optikov in kovinarjev
21
O širini de Sluzovih interesov priča raznolikost tem ki so zajete na
več sto straneh njegovega dela neobjavljenih rokopisov ki jih zdaj hrani
Narodna knjižnica Bibliotheque Nationale v Parizu Čeprav se je ukvarjal
predvsem z matematiko njegovi rokopisi obravnavajo tudi astronomijo
fiziko in naravoslovje
De Slusove perle
Po de Slusu so po zaslugi B Pascala (več o tem v [4]) imenovane tudi
krivulje rdquode Slusove perlerdquo to so krivulje ki se v pravokotnem kartezi-
čnem koordinatnem sistemu Oxy izražajo z enačbo
ym = kxn(aminusx)p (2)
Pri tem so eksponenti mn in p naravna števila a in k pa pozitivni kon-
stanti Glede na parnost eksponentovmn in p formalno razlikujemo osem
možnosti od katerih imamo opravka s perlami le v primeru ko je m sodo
število s pravimi perlami pa v primeru ko je m sodo število n in p pa lihi
števili (slika 10) Skupno tem krivuljam so simetričnost glede na os x in
presečišča s to osjo pri x = 0 in x = a De Sluse je po svoje brez uporabe
odvoda izračunal da njegove perle dosegajo lokalne ekstreme največji
odstop od osi x med 0 in a za x = na(n+p)
V teh primerih je ploščina S lika ki ga ograjuje zanka perle enaka
S = 2k1mint
a
0xnm(aminusx)pmdx = 2k1ma(m+n+p)mint
1
0tnm(1minus t)pmdt
Integracijsko spremenljivko x smo zamenjali z novo spremenljivko t prek
relacije x = at da smo dobili obliko ki jo lahko izrazimo z Eulerjevima
22
Slika 10 Primeri de Slusovih perl
funkcijama B in Γ
S = 2k1ma(m+n+p)mB(nm+1pm+1) =
= 2k1ma(m+n+p)mΓ(nm+1)Γ(pm+1)
Γ((n+p)m+2)=
= 2k1ma(m+n+p)mnp
(m+n+p)(n+p)
Γ(nm)Γ(pm)
Γ((n+p)m)
Pri rotaciji okoli osi x ta lik v prostoru opiše telo s prostornino
V =πk2mint
a
0x2nm(aminusx)2pmdx =πk2ma(m+2n+2p)m
int
1
0t2nm(1minust)2pmdt
23
Slika 11 Zasuk de Slusove perle za m = 2n = 3p = 1k = 001 okoli osi x
Integracijsko spremenljivko x smo tudi to pot zamenjali z novo spremenljivko
t prek relacije x = at da smo dobili obliko ki jo lahko izrazimo z Eulerje-
vima funkcijama B in Γ
V =πk2ma(m+2n+2p)mB(2nm+12pm+1) =
=πk2ma(m+2n+2p)mΓ(2nm+1)Γ(2pm+1)Γ((2n+2p)m+2)
=
= 2πk2ma(m+2n+2p)m np
(m+2n+2p)(n+p)Γ(2nm)Γ(2pm)
Γ((2n+2p)m)
Poseben primer de Slusove perle
Natančneje bomo obravnavali de Slusovo perlo samo primer za m = n = 2
p = 1 in k = 1a to se pravi krivuljo K ki ima implicitno enačbo ay2 =
x2(a minus x) To pa zato ker se posamezne točke te krivulje da preprosto
konstruirati z osnovnim geometrijskim orodjem
24
Geometrijska konstrukcija in analitična obravnava
Do posameznih točk T krivulje K pridemo s preprosto geometrijsko kon-
strukcijo (slika 12) V pravokotnem kartezičnem koordinatnem sistemu
Oxy načrtamo premico x = a kjer je a pozitivna konstanta Skozi koordi-
natno izhodišče O potegnemo premico p ki ima enačbo y = tx in preseka
premico x = a v točki A(ata) Parameter t smerni koeficient premice p s
katerim je sorazmerna ordinata točkeA bomo kasneje spreminjali V točki
A na p postavimo pravokotnico q ki seka os x v točki B V B načrtamo na
q pravokotnico r ki seka premico x = a v točki C nazadnje pa skozi C še
pravokotnico s na r Presečišče premic p in s naj bo točka T (xy) Sedaj
bomo izrazili njeni koordinati x in y s parametrom t
Slika 12 Konstrukcija točke T de Slusove perle K
Premica q ima enačbo y = minus(x minus a)t + at in preseka os x v točki B(a +
at20) Premica r ima enačbo y = t(x minus aminus at2) in preseka premico x = a v
točki C(aminusat3) premica s pa enačbo y = minus(xminus a)t minus at3 Koordinati točke
T sta rešitvi sistema enačb
y = tx y = minusxminusat
minusat3
25
Po krajšem računu dobimo
x(t) = a(1minus t2) y(t) = at(1minus t2) (3)
To sta parametrični enačbi krivulje K Ko spreminjamo t po vseh realnih
vrednostih oziroma ko A drsi po premici x = a točka T (xy) opiše krivuljo
K (slika 13) z zanko ki spominja na perlo
Če si mislimo da je parameter t čas enačbi (3) predstavljata sestav-
ljeno gibanje točkaste mase v dveh med seboj pravokotnih smereh v koor-
dinatni ravnini v smeri osi x po pravilu prve enačbe v smeri osi y pa po
pravilu druge enačbe Tirnica takega gibanja je krivulja K Podoben le da
bolj preprost primer imamo tudi pri gibanju točkaste mase pri poševnem
metu
Slika 13 De Slusova perla K
Ko se t spreminja od zelo velikih negativnih vrednosti potuje T po
loku v drugem kvadrantu navzdol in doseže za t = minus1 prvič točko O Za
minus1 le t le 0 opiše lok v četrtem kvadrantu odO do temenaD(a0) za 0 le t le 1
opiše lok v prvem kvadrantu od D do točke O ki jo doseže drugič za t = 1
za t gt 1 pa se spusti po loku v tretjem kvadrantu navzdol
26
Če upoštevamo (3) dobimo
x2(t)(aminusx(t)) = a2(1minus t2)2 sdotat2 = a(at(1minus t2))2 = ay2(t)
To pomeni da je ay2 = x2(aminusx) implicitna enačba krivulje K in da je K al-
gebrska krivulja tretje stopnje Krivulja K je simetrična glede na os x Za
točke ki so zelo blizu koordinatnemu izhodiščuO je člen x3 zanemarljivo
majhen v primerjavi s kvadratnima členoma zato je tam enačba krivulje
K približno ay2 = ax2 oziroma (y minusx)(y +x) = 0 Ta enačba razpade na dve
y = x in y = minusx V točki O ima krivulja tangenti y = x in y = minusx ki se sekata
pravokotno V točki D je tangenta na krivuljo premica x = a Krivulja ima
na zanki dve glede na os x simetrično ležeči lokalno ekstremni točki v ka-
terih je tangenta vzporedna z osjo x To sta točki Mplusmn(2a3plusmn2aradic
39) De
Sluse jih je na svojevrsten način pravilno izračunal čeprav je bilo v nje-
govem času računanje z odvodi še v zametkih Da bi pravilnost ekstrem-
nih točk preverili brez odvoda uporabimo kvadrat ekstremne ordinate ki
je y2M = 4a227 in zapišimo izraz
ay2M minusx2(aminusx) = 4a327minusax2 +x3 = (xminus2a3)2(x+a3)
ki je za 0 lt x lt a nenegativen in enak 0 za x = 2a3 To pomeni da je
tedaj x2(a minus x) le 4a327 in največja ordinata na zanki krivulje je 2aradic
39
najmanjša pa minus2aradic
39 oboje pri x = 2a3 (slika 14)
Z uporabo odvoda gre vse veliko hitreje Ordinata y doseže ekstrem
takrat kot ay2 Zato je vseeno če poiščemo ekstrem enostavnejše funkcije
g(x) = x2(a minus x) = ax2 minus x3 Potreben pogoj za to je g prime(x) = 2ax minus 3x2 = 0
Dobimo stacionarni točki x1 = 0 in x2 = 2a3 Uporabimo še g primeprime(x) = 2aminus6x
Ker je g primeprime(x1) = 2a gt 0 in g primeprime(x2) = minus2a lt 0 ima funkcija g v točki x1 lokalni
minimum ki je enak 0 v točki x2 pa lokalni maksimum ki je enak 4a327
27
Slika 14 Lokalna ekstrema na de Slusovi perli K
Ekstremna točka na zanki kjer je tangenta vzporedna z osjo x je očitno
le v x2 kvadrat ekstremne ordinate je tedaj g(x2)a = 4a227 = 12a281
Ekstremni ordinati sta torej plusmn2aradic
39 pri abscisi 2a3
Abscise 2a3 ni težko geometrijsko konstruirati prav tako tudi ne or-
dinate 2aradic
39 ki je 29 razdalje ∣PminusP+∣ = aradic
3 kjer sta Pminus in P+ presečišči
krožnih lokov s središčema v točkahO inD in polmerom ∣OD ∣ To pomeni
da sta točki Pminus in P+ konstruktibilni
Če bi načrtali celotna krajša krožna loka med Pminus in P+ bi dobili med
njima lečast lik ki so mu nekoč rekli rdquovesica piscisrdquo kar dobesedno pomeni
rdquoribji mehurrdquo Lik je bil zelo znan v srednjeveški sakralni umetnosti
Čeprav v de Slusovem času še niso poznali odvoda funkcije v današn-
jem smislu so že vedeli zahvaljujoč Fermatu da ima funkcija v točki
lokalnega ekstrema vodoravno tangento
28
Spremljajoča parabola
Nastajanje krivulje K spremljajo še nekatere druge bolj ali manj znane
krivulje Najprej si oglejmo kaj dobimo če točko O pravokotno projici-
ramo na premice r in spreminjamo parameter t Dobljena projekcija naj
bo R (slika 15)
V prispevku se pogosto sklicujemo na povezavo med smernima koe-
ficientoma premice in pravokotnice nanjo Koeficienta sta si inverzna in
nasprotna Zato zlahka napišemo enačbo premice r in pravokotnice skozi
O nanjo
y = t(xminusaminusat2) y = minusxt
Njuno presečišče R ima koordinati
x(t) = at2 y(t) = minusat
Z izločitvijo parametra t dobimo y2 = ax kar pomeni da točke R pri spre-
minjanju točkeA po premici x = a opišejo parabolo rdquospremljajočo parabolordquo
ki ima gorišče v točki F(a40) in vodnico v z enačbo x = minusa4
Slika 15 De Slusova perla K in spremljajoča parabola
29
Ogrinjače
Ko drsi točka A po premici x = a premice s ogrinjajo neko krivuljo Ks
Premice s so v točki T krivulje K pravokotne na premice skozi O in T
Njeno enačbo dobimo po standardnem postopku Enačba premic s je
F(xyt) = y +xminusat
+at3 = 0
To je enoparametrična družina premic ki ogrinjajo krivuljo Ks imeno-
vano rdquoogrinjačardquo te družine (slika 16) V vsaki točki ogrinjače se jo dotika
ena premica v različnih točkah različne premice družine Enačbo njihove
ogrinjače v implicitni obliki dobimo tako da iz sistema enačb
Slika 16 De Slusova perla K in ogrinjače Ks Kq Kr
F(xyt) = 0partFpartt
(xyt) = 0
izločimo parameter t Iz enačbe
partFpartt
(xyt) = minus(xminusa)t2 +3at2 = 0
30
dobimo najprej xminusa = 3at4 kar vstavimo v prvo enačbo v sistemu in imamo
y = minus4at3 Dobili smo ogrinjačo v parametrični obliki
x(t) = a(1+3t4) y(t) = minus4at3
Izločimo t in enačba iskane ogrinjače Ks v implicitni obliki je pred nami
27y4 = 256a(xminusa)3
Ker je y dobljene krivulje sorazmeren s potenco (x minus a)34 lahko rečemo
da je ogrinjača premic s četrtkubična parabola
Podobno poiščemo ogrinjačo Kq premic q
F(xyt) = yt +xminusaminusat2 = 0partFpartt
(xyt) = y minus2at = 0
Ogrinjača v parametrični obliki je to pot
x(t) = a(1minus t2) y(t) = 2at
Z izločitvijo parametra t dobimo njeno enačbo v implicitni obliki
y2 = minus4a(xminusa)
Dobljena krivulja Kq je parabola z vodnico x = 2a in goriščem v točki O
(slika 16)
Nazadnje po enakem postopku kot doslej poiščemo še ogrinjačo Kr
premic r
F(xyt) = y minus tx+at +at3 = 0partFpartt
(xyt) = minusx+a+3at2 = 0
Ogrinjača v parametrični obliki je potem
x(t) = a(1+3t2) y(t) = 2at3
31
Z izločitvijo parametra t dobimo njeno enačbo še v implicitni obliki
27ay2 = 4(xminusa)3
Dobljena krivulja Kr je polkubična ali Neilova parabola z ostjo v točki
D(a0) kjer ima vodoravno tangento (slika 16) Krivuljo Ks smo up-
ravičeno imenovali četrtkubična parabola Slednja ima v točki D(a0)
navpično tangento
Edinole premice p od tistih ki sodelujejo v konstrukciji točk krivulje
K nimajo ogrinjače Vse premice p namreč potekajo skozi koordinatno
izhodišče O in očitno ne ogrinjajo nobene krivulje
Nožiščne krivulje
Novo krivuljoHprime dobimo če na tangente dane krivuljeH pravokotno pro-
jiciramo izbrano točko Φ Vse projekcije P nožišča točke Φ na tangentah
krivuljeH sestavljajo krivuljoHprime ki jo imenujemo rdquonožiščnardquo ali rdquopedalna
krivuljardquo krivulje H glede na točko Φ
Beseda rdquopedalenrdquo izhaja iz latinske rdquopedalisrdquo kar pomeni rdquonoženrdquo Os-
novna beseda je rdquopesrdquo v rodilniku ednine rdquopedisrdquo kar pomeni rdquonogardquo Od
tod izvirajo tudi besede rdquopedalordquo rdquopedalarrdquo in rdquopedalinrdquo
Poiščimo nekaj nožiščnih krivulj glede na koordinatno izhodišče O
Najprej za krivuljo K ki je poseben primer de Slusove perle Za odvod
v točki T isinK ki ustreza parametru t dobimo
dy
dx(x) =
y
x(t) =
3t2 minus12t
Enačbi tangente v T in pravokotnice skozi O nanjo pa se glasita
y minusat(1minus t2) =3t2 minus1
2t(xminusa(1minus t2)) y =
2t1minus3t2
x
32
Sekata se v točki P s koordinatama
x(t) =a(t2 minus1)2(1minus3t2)
9t4 minus2t2 +1 y(t) =
2at(t2 minus1)2
9t4 minus2t2 +1 (4)
S tem smo našli parametrični enačbi krivulje Kprime (slika 17) Do implicitne
enačbe je dolga pot prek rezultante dveh polinomov spremenljivke t od
katerih je prvi druge drugi pa pete stopnje Najprej opazimo da je v (4)
yx = 2t(1minus 3t2) kar lahko zapišemo kot p(t) = 3yt2 + 2xt minus y = 0 drugo
enačbo pa zapišemo v obliki q(t) = 2at5 minus 9yt4 minus 4at3 + 2yt2 + 2at minus y = 0
Zaradi enostavnosti smo pisali x in y brez argumenta t Da izločimo pa-
rameter t je treba zapisati rdquorezultantordquo R(p(t)q(t)) polinomov p(t) in
q(t) in jo izenačiti z 0 (glej [14])
R(p(t)q(t)) =
RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR
2a minus9y minus4a 2y 2a minusy 0
0 2a minus9y minus4a 2y 2a minusy
3y 2x minusy 0 0 0 0
0 3y 2x minusy 0 0 0
0 0 3y 2x minusy 0 0
0 0 0 3y 2x minusy 0
0 0 0 0 3y 2x minusy
RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR
= 0
Zadnji stolpec je deljiv z y Ker y = 0 ni del iskane nožiščne krivulje pre-
ostane ko izračunamo determinanto in jo okrajšamo z y in preuredimo
27y2(x2 +y2)2 +4ax(x2 minus9y2)(x2 +y2)minus4a2(x2 minusy2)2 = 0
Rezultat je torej algebrska krivulja šeste stopnje Krivulja je simetrična
glede na abscisno os točka O pa je njena posebna točka Za zelo majhne
x in y prevlada zadnji člen kar pomeni da sta premici y = x in y = minusx v O
tangenti na krivuljo
33
Slika 17 Nožiščna krivulja Kprime krivulje K glede na koordinatno izhodišče
Zanka krivulje Kprime nekoliko spominja na srčnico ali kardioido ki jo
opisujejo točke krožnice ki se brez drsenja kotali po enako veliki krožnici
Krivulja Kprime ima še neomejeni del ki se razteza po drugem in tretjem kvad-
rantu Poglejmo kako potuje točka po krivulji v parametrizaciji (4) ko
parameter t teče po številski premici Za t lt minus1 poteka krivulja po tretjem
kvadrantu pri čemer x(t)rarr minusinfin in y(t)rarr minusinfin ko t rarr minusinfin Pri t = minus1 točka
doseže O v obliki osti ki ima za tangento premico y = x Za minus1 lt t lt 0
potuje točka po četrtem kvadrantu doseže točko D pri t = 0 za 0 lt t lt 1
potuje naprej po prvem kvadrantu in pri t = 1 spet doseže O kjer ima
ost s tangento y = minusx nato nadaljuje pot po drugem kvadrantu pri čemer
x(t)rarr minusinfin in y(t)rarrinfin ko trarrinfin
Nožiščna krivulja malo prej obravnavane krivulje Ks glede na točko O
ni nič drugega kot krivulja K Premice s so namreč tangente na Ks nožišča
točke O na njej pa so točke krivulje K Lahko pa to preverimo z računom
34
tako kot smo poiskali nožiščno krivuljo Kprime za K glede na točko O
Za odvod v poljubni točki na Ks ki ustreza parametru t dobimo
dy
dx(x) =
y
x(t) = minus
1t
Enačbi tangente v tej točki in pravokotnice skozi O nanjo pa se glasita
y +4at3 = minus1t(xminusa(1+3t4)) y = tx
Sekata se v točki s koordinatama
x(t) = a(1minus t2) y(t) = at(1minus t2)
To sta ravno parametrični enačbi krivulje K tako da velja Kprimes =K
Podobno ugotovimo tudi da je premica x = a nožiščna krivulja za para-
bolo Kq Premica x = a je tangenta te parabole v temenu V splošnem je
temenska tangenta parabole kar njena nožiščna krivulja glede na gorišče
Ugotovili smo torej da je nožiščna krivulja krivulje Kr spremljajoča para-
bola krivulje K
Ekstremne točke nožiščne krivulje Kprime
Ekstremne točke na zanki krivulje Kprime dobimo iz odvodov
x(t) =2at(1minus t2)(3t2 +1)(9t4 +2t2 minus3)
(9t4 minus2t2 +1)2
y(t) =2a(t2 minus1)(3t2 +1)(3t4 +6t2 minus1)
(9t4 minus2t2 +1)2
Za t = 0 doseže v točki D(a0) abscisa svojo največjo vrednost Za t = plusmn1
poteka krivulja skozi točko O kjer sama sebe preseka pod pravim kotom
ker je yprime(0) = (yx)(plusmn1) = ∓1
35
Najmanjšo absciso na zanki ima krivulja Kprime v točki ki jo določa para-
meter t za katerega velja pogoj 9t4 +2t2 minus3 = 0 To je bikvadratna enačba
katere realni rešitvi sta tplusmn = plusmnradic
2radic
7minus13 ustrezni točki na krivulji pa
izračunamo z enačbama (4) in dobimo
Xplusmn(a(17minus7radic
7)27plusmnaradic
74radic
7minus17227)
Ekstremni ordinati na zanki ima krivulja takrat za tisto vrednost para-
metra t za katerega velja pogoj 3t4 + 6t2 minus 1 = 0 Realni rešitvi te bi-
kvadratne enačbe sta tplusmn = plusmn(3radic
2minusradic
6) 4radic
36 ustrezni točki na krivulji pa
Yplusmn(a(3minusradic
3)3plusmna 4radic123)
Ker v koordinatah ekstremnih točk nastopajo poleg osnovnih aritmetičnih
operacij le kvadratni in bikvadratni (četrti) koreni so te točke konstruk-
tibilne
Cisoida
Spoznali smo enega od načinov pridobivanja novih ravninskih krivulj iz
danih to je z nožišči izbrane točke na tangentah dane krivulje Krivulji
s tem priredimo nožiščno krivuljo glede na izbrano točko Drug tak pre-
prost način kako iz znanih krivulj dobimo nove je cisoidni način Kako
pa ta poteka
Denimo da sta znani krivulji K1 in K2 ter točka O ki ležijo v isti
ravnini Pri tem sta K1 in K2 taki krivulji da vsaka premica p skozi O
ki seka K1 v neki točki T1 seka tudi K2 recimo v točki T2 (slika 18) Za
vsak T1 označimo na p točko T tako da veljaETHOT =
ETHETHT1T2 Ko T1 potuje po
K1 T opiše krivuljo C ki jo imenujemo cisoida krivulj K1 in K2 glede na
točko O Definicije take cisoide se nekoliko razlikujejo od vira do vira
36
Slika 18 Krivulja C je cisoida krivulj K1 in K2 glede na točko O
Dioklova cisoida s katero rešimo problem podvojitve kocke je cisoida
krožnice x2 + y2 = ax in premice x = a glede na koordinatno izhodišče O
Več o cisoidah in njihovi uporabi je napisanega na primer v [8]
Krivulja K je povezana tudi s polkubično ali semikubno ali Neilovo
parabolo poimenovano po Williamu Neilu (1637ndash1680) Parametrični
enačbi (3) lahko zapišemo v vektorski obliki v standardni bazi kot razliko
kolinearnih vektorjev
r(t) = (x(t)y(t)) =ETHOT = (a(1minus t2)at(1minus t2)) = (aat)minus (at2at3)
Vektor r1(t) = (aat) = (a0)+at(01) je enačba premice x = a v parametrični
obliki vektor r2(t) = (at2at3) pa polkubične parabole ki ima enačbo ay2 =
x3 in ost v točkiO Parameter t geometrijsko pomeni tangens naklonskega
kota premice OA (slika 13)
Premica y = tx poteka skozi koordinatno izhodišče O in seka premico
x = a v točkiA(aat) zato jeETHOA = r1 Ista premica seka polkubično parabolo
P ki ima enačbo ay2 = x3 v točki P (at2at3) tako da jeETHOP = r2 S tem je
ETHPA =
ETHOAminus
ETHOP = r1minus r2 = r To pomeni da je r =
ETHOT =
ETHOAminus
ETHOP Potemtakem
je krivulja K cisoida polkubične parabole P z enačbo ay2 = x3 in premice
37
Slika 19 De Slusova perla K kot cisoidna krivulja
x = a glede na točko O (slika 19)
Neilova parabola in ločna dolžina
Neilova ali polkubična parabola ay2 = x3 je bila v zgodovini matematike
pomembna kot ena prvih krivulj za katero so znali izračunati ločno dolžino
Prav prvi je to znal John Wallis (1616ndash1703) leta 1657
Denimo da nas zanima ločna dolžina `(b) te krivulje nad intervalom
[0b] (slika 20) Znano je da lahko uporabimo formulo za ločno dolžino
krivulje ki je dana v eksplicitni obliki
`(b) = intb
0
radic
1+yprime2dx
Pri tem je y = f (x) enačba krivulje in yprime = f prime(x) V našem primeru je y =
38
Slika 20 Neilova ali polkubična parabola
f (x) = plusmnradicx3a Kratek račun nam da yprime2 = 9x(4a) in
`(b) = intb
0
radic
1+9x4adx
Z uvedbo nove integracijske spremenljivke u z relacijo u2 = 1 + 9x(4a)
dobimo
`(b) =8a9 int
c
1u2du =
8a27
(c3 minus1)
pri čemer je c =radic
1+9b(4a)
Leibnizeva izohrona je krivulja po kateri se je leta 1687 vprašal G W
Leibniz Poiskati je treba v navpični ravnini krivuljo po kateri se brez
trenja giblje točkasta masa ki je podvržena konstantnemu težnostnemu
polju tako da je navpična komponenta njene hitrosti ves čas konstantna
Nalogo je prvi rešil C Huygens nizozemski astronom fizik in matema-
tik znan tudi po odkritju Saturnovega satelita Titana in znamenitih Sat-
urnovih obročev ter po izdelavi prve ure na nihalo kar je bilo za tiste čase
velik napredek v merjenju točnega časa
39
Slika 21 Leibnizeva izohrona
Izhodišče O postavimo v najvišjo točko krivulje (slika 21) V tej točki
je horizontalna hitrost premikajoče se mase m enaka 0 Naj bo v0 njegova
navpična hitrost navzdol Os y je vodoravna os x pa usmerjena navz-
dol Potencialno energijo mase računamo nad izbranim nivojem spodaj V
skladu z načelom ohranitve mehanske energije v času t in času 0 potem
velja12mv2(t)+mg(hminusx(t)) =
12mv2
0 +mgh
Pri tem je g težni pospešek Po poenostavitvi dobimo v2(t) = 2gx(t)+ v20
Vektor hitrosti ima v vsakem trenutku med seboj pravokotni komponenti
v(t) = (x(t) y(t)) za t = 0 pa v(0) = (v00) Upoštevamo da je ∣v(t)∣2 =
v2(t) = x2(t) + y2(t) in da je x(t) = v0 pa imamo sistem diferencialnih
enačb
x(t) = v0 y(t) =radic
2gx(t)
ki ga rešimo pri začetnih pogojih x(0) = y(0) = 0 in dobimo
x(t) = v0t y(t) =23
radic2gv0t3
40
Koordinati točk na dobljeni krivulji zadoščajo enačbi
ay2 = x3 a =9v2
0
8g
Pri dani konstanti a je v0 = (23)radic
2ag Iskana krivulja je torej Neilova
parabola Ime izohrona je dobila zato ker točkasta masa po vertikali
v enakih časih prepotuje enake razdalje V grščini beseda ἴσος pomeni
rdquoenakrdquo χρόνος pa rdquočasrdquo
Dolžina ` zanke krivulje K nas pripelje do zapletenega eliptičnega in-
tegrala za katerega zapišimo približno vrednost
` = 2aint1
0
radic9t4 minus2t2 +1dt ≐ 271559186a
Pač pa je dolžina loka ` četrtkubične parabole Ks ogrinjače premic s bolj
prijazna Za dolžino loka od točke D ki ustreza parametru t = 0 do točke
ki ustreza parametru t = α dobimo
` = 12aintα
0t2
radic1+ t2dt =
3a2
(α(1+2α2)radic
1+α2 minus ln(α +radic
1+α2))
Prav tako dolžina loka ` navadne parabole Kq ogrinjače premic q ne
dela težav Za dolžino loka od točke D ki ustreza parametru t = 0 do
točke ki ustreza parametru t = α dobimo
` = 2aintα
0
radic1+ t2dt = a(α
radic1+α2 + ln(α +
radic1+α2))
Za spremljajočo parabolo dobimo prav tako enostaven rezultat za ločno
dolžino od točke O do točke ki ustreza parametru t = α
` = intα
0
radic1+4t2dt =
a4(2α
radic1+4α2 + ln(2α +
radic1+4α2))
Nazadnje zapišimo še ločno dolžino polkubične parabole Kr
` = 6aintα
0tradic
1+ t2dt = 2a((1+α2)radic
1+α2 minus1)
41
Pri vseh zgornjih primerih je parameter t strmina premice p v prvotni
konstrukciji krivulje K
Ploščine in prostornine
Ploščina S lika ki ga omejuje zanka krivulje K je
S =2radica int
a
0xradicaminusxdx
Z uvedbo nove integracijske spremenljivke t z relacijo aminusx = t2 je
S =4radica int
radica
0t2(aminus t2)dt =
4radica int
radica
0(at2 minus t4)dt =
8a2
15
Lahko pa jo izrazimo tudi s splošno formulo ki smo jo izpeljali na začetku
razdelka S to formulo lahko izrazimo še prostornino V telesa ki ga pri
rotaciji okoli osi x opiše lik
V =πa int
a
0x2(aminusx)dx =
πa3
12
To je ravno polovica prostornine krogle s premerom a
Pač pa je izraz za ploščino S prime lika ki ga omejuje zanka krivulje Kprime bolj
zapleten izraz Uporabimo parametrični enačbi (4) in dobimo
S prime = int1
0(x(t)y(t)minus x(t)y(t))dt = 2a2
int
1
0
(1minus t2)3(1+2t2 minus3t4)(9t4 minus2t2 +1)2 dt
Če se zanesemo na računalniško računanje določenih integralov potem je
S prime =2a2
729(3(43πminus28)+52
radic2ln(1+
radic2))
kar je približno S prime ≐ 1059206796a2 Do enakega rezultata pridemo z
navidez enostavnejšo formulo
S prime = 2inta
0y(x)dx
42
toda drugim težjim integralom
S prime = 2int0
1y(t)x(t)dt = minus8a2
int
1
0
t2(1minus t2)3(3t2 +1)(9t4 +2t2 minus3)(9t4 minus2t2 +1)3 dt
Zakaj smo integrirali po parametru t od 1 do 0 Zato ker abscisa x narašča
od 0 do a ko t pada od 1 do 0 Ordinata y pa je pri tem nenegativna (glej
izraza (4))
Tudi izraz za prostornino V prime telesa ki ga pri rotaciji okoli osi x opiše
lik omejen s Kprime je navidez enostaven
V prime =πinta
0y2(x)dx
toda s parametrom t je zapleten a eksaktno izračunljiv
V prime =πint0
1y2(t)x(t)dt = 8πint
1
0
t3(t2 minus1)5(3t2 +1))(9t4 +2t2 minus3)(9t4 minus2t2 +1)4 dt
Za rezultat dobimo
V prime =2πa3
19683(431π
radic2+369+744ln2)
kar je približno V prime ≐ 08936800975a3
Naj bo s tem računanja integralov dovolj V nadaljevanju se bomo
posvetili nekaterim lažjim problemom
Tangenta
Pri krivuljah v koordinatnem sistemu Oxy so pomembni štirje dotikalni
elementi za posamezne točke T odsek na tangenti ∣TA∣ odsek na normali
∣T B∣ subtangenta ∣AT prime∣ in subnormala ∣BT prime∣ (slika 23) Izražajo se takole
∣TA∣ = ∣y
yprime
radic
1+yprime2∣ ∣T B∣ = ∣yradic
1+yprime2∣ ∣T primeA∣ = ∣y
yprime∣ ∣T primeB∣ = ∣yyprime∣
43
Slika 22 Ploščini likov omejenih z zankama krivulj K in Kprime
Pri tem pomeni yprime = f prime(x) če je enačba krivulje y = f (x) Točka T prime je pra-
vokotna projekcija točke T na abscisno os A je presečišče tangente na
krivuljo v točki T z osjo x B pa presečišče normale z osjo x Dotikalni
elementi so posebej definirani tudi za krivulje v polarnih koordinatah
Slika 23 Dotikalni elementi krivulje
De Sluse je za algebrsko krivuljo f (xy) = 0 po svoje našel izraz za sub-
tangento ts to je pravokotno projekcijo odseka na tangenti
44
na os x V današnji pisavi se subtangenta izraža v obliki
ts = minusy
partfparty (xy)
partfpartx (xy)
Za krivuljo K je f (xy) = ay2 minusx2(aminusx) = 0 in
ts =2x(xminusa)3xminus2a
Lotimo se še konstrukcije tangente t in normale n naK v točki T0(x0y0) ne
O ki enolično določa točko A(aay0x0) kot presečišče premice p skozi O
in T0 s premico x = a Skozi A povlecimo vzporednico nprime z normalo n na K
v točki T0 Normala ima smerni koeficient kn = tsy0 oziroma
kn =
partfparty (x0y0)
partfpartx (x0y0)
=2ay0
x0(3x0 minus2a)
Premica nprime ima enačbo
y minusay0
x0=
2ay0
x0(3x0 minus2a)(xminusx0)
in preseka abscisno os v točki T1(x10) za katero po krajšem računu do-
bimo x1 = 2a minus 3x02 Točko T1 in premico nprime zlahka geometrijsko kon-
struiramo Iskana tangenta t v točki T0 je pravokotna na nprime normala n pa
vzporedna z nprime (slika 24)
Inverzija krivulje K na krožnici
Po navadi za ravninske krivulje pogledamo še njihove inverzne slike na
krožnici Inverzija ali zrcaljenje na krožnici x2 + y2 = r2 je ravninska pres-
likava ι definirana s predpisom
ι ∶ (xy)↦ (r2x
x2 +y2 r2y
x2 +y2)
45
Slika 24 Tangenta in normala na krivuljo K
S spreminjanjem polmera r krožnice dobimo med seboj podobne krivulje
Če zrcalimo na krožnici x2 + y2 = a2 krivuljo K ki ima implicitno enačbo
(2) dobimo krivuljo Klowast ki ima enačbo
y4 = minusx3(aminusx)
ki je formalno oblike (2) zam = 4n = 3p = 1 in k = minus1 Dobljena krivuljaKlowast
je simetrična glede na os x ima dve veji abscisa na njej doseže ekstremni
vrednosti v točkah O(00) in D(a0) Ima pa kot bomo videli tudi dve
asimptoti y = xminusa4 in y = minusx+a4 (slika 25)
Krivuljo Klowast se da lepo parametrizirati s parametrom τ če v njeno
enačbo y4 = minusx3(aminusx) vstavimo y = τx Dobimo
x(τ) =a
1minusτ4 y(τ) =aτ
1minusτ4
To sta parametrični enačbi krivulje Klowast
Ko τ uarr minus1 x(τ)rarr minusinfin in y(τ)rarr +infin ko τ darr minus1 x(τ)rarr +infin in y(τ)rarr minusinfin
ko τ uarr +1 x(τ)rarr +infin in y(τ)rarr +infin ko τ darr +1 x(τ)rarr minusinfin in y(τ)rarr minusinfin
46
Slika 25 Inverzna slika Klowast krivulje K
Konstanti k in n poševne asimptote y = kx + n krivulje Klowast dobimo s
formulama
k = limxrarrplusmninfin
y
x n = lim
xrarrplusmninfin(y minus kx)
V našem primeru je
k = limxrarrplusmninfin
y
x= limτrarrplusmn1
τ = plusmn1 n = a limτrarrplusmn1
τ ∓11minusτ4 = ∓
a4
Poševni asimptoti sta torej premici y = plusmn(xminusa4)
Obnašanje krivulje v okolici točke D utemeljimo če zapišemo impli-
citno obliko krivulje nekoliko drugače
y4 = (xminusa)x3 = (xminusa)(a+(xminusa))3 = a3(xminusa)+3a2(xminusa)2+3a(xminusa)3+(xminusa)4
47
Slika 26 Krivulja Klowast in približka v okolici točk O in D
Za x ki je zelo blizu a prevlada na desni prvi člen tako da je y4 asymp a3(xminusa)
Razlika xminusa se torej obnaša približno tako kot bikvadrat ordinate y
V okolici točke O kjer so abscise negativne iz istega razloga velja y4 asymp
minusax3 zato se tam krivulja obnaša približno tako kot četrtkubična parabola
(slika 26)
Inverzija krivulje Kprime na krožnici
Na krožnici x2 + y2 = a2 zrcalimo še krivuljo Kprime nožiščno krivuljo krivulje
K glede na točko O Dobimo dvodelno krivuljo Kprimelowast kakršno vidimo na
sliki 27
Enačba nove krivulje v implicitni obliki je
4(x2 minusy2)2 minus4ax(x2 minus9y2)minus27a2y2 = 0
48
Slika 27 Inverzna slika Kprimelowast krivulje Kprime
Krivulja je algebrska četrte stopnje je simetrična glede na os x ima ost
z vodoravno tangento v točki O skozi točko D pa poteka v blagem loku
Natančneje ugotovimo približni potek krivulje v okolici teh dveh točk če
v zgornji enačbi obdržimo prevladujoče člene V okolici točke O kjer so
abscise negativne je ay2 asymp minus4x327 torej približno tako kot polkubična
parabola V okolici točke D(a0) je y2 asymp minus4a(x minus a) kar pomeni da se
krivulja obnaša približno tako kot parabola
Pritisnjeni krožnici na K
Pritisnjeni krožnici v točki O na krivuljo K sta inverzni sliki asimptot
krivulje Klowast na krožnici x2 + y2 = a2 Preprost račun pokaže da se asimp-
toti krivulje Klowast z inverzijo ι preslikata v krožnici x2 + y2 plusmn4ay minus4ax = 0 ki
imata središči v točkah Splusmn(2aplusmn2a) in polmer 2aradic
2 Sekata se pavokotno
v točkah O in M(4a0) Inverzija ι namreč ohranja kote (slika 28)
49
Slika 28 Pritisnjeni krožnici na krivuljo K v točki O
Ukrivljenost κ(t) krivulje K v točki ki ustreza parametru t brez težav
izračunamo iz njenih parametričnih enačb (3)
κ(t) =2(3t2 +1)
a(1minus2t2 +9t4)32
V posebnem primeru je v točki O to se pravi za t = plusmn1 ukrivljenost enaka
κ(plusmn1) = 1(2aradic
2) zato sta v O polmera pritisnjenih krožnic 1κ(plusmn1) =
2aradic
2 kar se seveda ujema z rezultatom dobljenim z inverzijo na krožnici
Toksoida
Videli smo da je inverzna slika krivulje K krivulja Klowast ki ima enačbo y4 =
minusx3(aminusx) ki je formalno oblike (2) zam = 4n = 3p = 1 in k = minus1 Prav tako
je krivulja ay2 = minusx2(aminus x) ki jo dobimo iz enačbe ay2 = x2(aminus x) krivulje
K če zamenjamo aminus x z x minus a formalno oblike (2) za m = 2n = 2p = 1 in
50
k = minus1a Krivuljo označimo jo s T ki ima enačbo
ay2 = x2(xminusa)
je nemški amaterski matematik samouk in izumitelj Diedrich (tudi Diede-
rich) Uhlhorn (1764ndash1837) imenoval rdquotoksoidardquo V svojem delu [13] obrav-
nava več krivulj in za nekatere tudi opiše mehanske naprave s katerimi
se jih da risati pa tudi njihovo uporabo pri reševanje enačb Beseda rdquotok-
soidardquo izvira iz dveh grških τόξον kar pomeni rdquolokrdquo (kot orožje) pa tudi
rdquopuščicardquo in εἶδος kar med drugim pomeni rdquooblika podobardquo D Uhlhorn
je imenoval krivuljo v nemščini rdquoBogenlinierdquo ker nemški samostalnik rdquoBo-
genrdquo pomeni prav tako rdquolokrdquo Iz besede τόξον smo dobili tudi besede ki
so povezane s strupi kajti bojne puščice so bile često zastrupljene
Slika 29 Toksoida
Toksoida ima tudi izolirano točkoO(00) saj njeni koordinati zadoščata
implicitni enačbi
Iz implicitne enačbe toksoide dobimo z zamenjavo y = tx njeni parametri-
čni enačbi
x(t) = a(1+ t2) y(t) = at(1+ t2) (5)
ki pa ne vključujeta izolirane točke O
51
Toksoida je algebrska krivulja tretje stopnje simetrična glede na os x
ki jo preseka za t = 0 v točki D(a0) kjer ima navpično tangento Krivulja
na prvi pogled ni nič posebnega a že D Uhlhorn je pokazal kako se kon-
struira njene posamezne točke in kako se z njo podvoji kocko
Slika 30 Konstrukcija točk toksoide
Do točke T na toksoidi pridemo takole V koordinatnem sistemu Oxy
za pozitiven a določimo točko D(a0) in skoznjo konstruiramo pravokot-
nico na os x torej premico x = a (slika 30) Na tej premici izberemo točko
A ki jo bomo spreminjali da bomo dobili krivuljo Skozi O in A nato
načrtamo premico p v A pa nanjo pravokotnico q ki seka abscisno os v
točki B V B postavimo na abscisno os pravokotnico r ki preseka premico
p v točki T Ko A potuje po premici x = a točka T opiše toksoido T brez
izolirane točke O
Da res dobimo toksoido T je treba samo zapisati enačbi y = tx premice
p in y = minus(x minus a)t + at premice q ter točki A(aat) in B(a(1 + t2)0) ter
T (a(1+t2)at(1+t2)) Koordinati točke T pa res dasta paramatrični enačbi
52
toksoide
Slika 31 Konstrukcija srednjih geometrijskih sorazmernic s toksoido
Iz podobnih trikotnikov ODA OAB in OBT na sliki 30 sledi relacija
∣OD ∣
∣OA∣=∣OA∣
∣OB∣=
∣OB∣∣OT ∣
kar pomeni da sta ∣OA∣ in ∣OB∣ srednji geometrijski sorazmernici daljic
∣OD ∣ = a in ∣OT ∣ = b Zato lahko izrazimo ∣OA∣ =3radica2b in ∣OB∣ =
3radicab2 na isti
način kot pri (3)
Če imamo že načrtano toksoido T potem srednji geometrijski sorazmer-
nici za a in b gt a dobimo tako da poiščemo presečišče T krožnice s sredi-
ščem v O skozi točko C(b0) in na zgoraj opisan način poiščemo premice
pq in r ter točki A in B (slika 31) Za b = 2a na ta način rešimo problem
podvojitve kocke ∣OA∣ = a 3radic
2
Ukrivljenost κ(t) toksoide T v točki ki ustreza parametru t brez težav
53
izračunamo iz njenih parametričnih enačb (5)
κ(t) =2(3t2 minus1)
a(1+10t2 +9t4)32
Opazimo da ukrivljenost menja predznak pri t = plusmn1radic
3 kar nam da točki
Pplusmn(4a3plusmn4aradic
39) v katerih ima T prevoja s tangentama s smernima koe-
ficientoma plusmnradic
3 Tangenti oklepata z osjo x kota plusmnπ3 Pritisnjena krožnica
v točki D ki ustreza t = 0 ima za polmer 1∣κ(0)∣ = a2 in središče v točki
S(3a20) (slika 32)
Slika 32 Prevoja toksoide T in pritisnjena krožnica v točki D
Prevoja sta konstruktibilna pri čemer si lahko pomagamo z vesico pis-
cis nad daljico OD Njeni točki Vplusmn sta narazen za aradic
3 premici skozi O
in Vplusmn pa določata smeri tangent v prevojih Prav tako je konstruktibilna
točka S V okolici točk D in Pplusmn je ujemanje toksoide s pritisnjeno krožnico
v D in tangentama v prevojih Pplusmn zelo dobro
54
Enačba toksoide T v polarnih koordinatah in ϕ je
(ϕ) =a
cos3ϕ
kar sledi iz njene implicitne oblike
a(x2 +y2) = x3
Pri tem je treba le upoštevati zvezi x2 +y2 = 2 in x = cosϕ
Polarna oblika je zelo primerna za študij inverzije na krožnici s središčem
v točki O in polmerom R Če je namreč lowast polarni polmer invertirane
krivulje mora veljati relacija
(ϕ)lowast(ϕ) =R2
Če izberemo R = a dobimo za inverzno sliko toksoide T krivuljo (slika 33)
T lowast ki ima nasledno enačbo v polarnih koordinatah
lowast(ϕ) = acos3ϕ
Slika 33 Inverzna slika T lowast toksoide T
55
Iz polarne oblike krivulje T lowast hitro izpeljemo še njeno implicitno enačbo
(x2 +y2)2 = ax3
Torej je T lowast algebrska krivulja četrte stopnje
Ploščino S lika ki ga ograjuje krivulja T lowast izračunamo po znani for-
muli
S = 2 sdot12 int
π2
0lowast2(ϕ)dϕ = a2
int
π2
0cos6ϕdϕ = a2 sdot
56
sdotπ2=
5πa2
32
Krivulja T lowast je simetrična glede na os x v točkah O in D ima navpični
tangenti največji odklon od osi x pa doseže v točkah Yplusmn(9a16plusmn3aradic
316)
kjer ima vodoravni tangenti in sicer pri polarnih kotih plusmnπ6
De Slusove pomnoževalke hiperkock
Podvojitev kocke je kot vemo klasični grški geometrijski problem ki se ga
ne da rešiti evklidsko to je samo z neoznačenim ravnilom in šestilom kar
so dokazali šele v 19 stoletju Problem zahteva določiti rob kocke ki ima
prostornino enako dvakratniku prostornine dane kocke To pomeni da
je treba za dano daljico a konstruirati tako daljico b za katero je b = a 3radic
2
Problem podvojitve kocke so Grki znali rešiti na več načinov Eden od njih
je možen s posebno ravninsko krivuljo z Dioklovo cisoido (več na primer
v [7])
Povsem smiselno se je vprašati kako bi pomnožili s faktorjem s gt 0
poljubno r-razsežno hiperkocko z robom a Njena prostornina je ar zato
je b = a rradics rob hiperkocke katere prostornina je s-kratnik prostornine
hiperkocke z robom a Dva primera sta trivialna Za r = 1 imamo daljico
56
njena rdquoprostorninardquo je kar njena dolžina a za r = 2 pa kvadrat čigar rdquopros-
torninardquo je kar njegova ploščina a2 Za r = 3 imamo opraviti z običajno
kocko z običajno prostornino a3 V prvih dveh primerih množenje s fak-
torjem s ni problematično saj s problemom lahko geometrijsko rešimo s
podobnimi trikotniki in z višinskim izrekom v pravokotnem trikotniku
Za r ge 4 si r-razsežno hiperkocko teže predstavljamo ker je ne moremo
realizirati z običajno geometrijo To pa ni ovira pri pomnožitvi take hiper-
kocke s številom s ker moramo znati samo njen rob a geometrijsko pom-
nožiti s številom rradics kar pa lahko naredimo v običajni ravnini V mate-
matični analizi je r-razsežna hiperkocka z robom a na primer kar r-kratni
kartezični produkt intervala [minusa2a2] s samim seboj to je množica
[minusa2a2]r = (x1x2 xr) isinRr ∶ ∣x1∣ le a2 ∣x2∣ le a2 ∣xr ∣ le a2
Oglejmo si de Slusove perle (2) z eksponenti mn =mminus 1 in p = 1 fak-
torjem k = 1 ter a gt 0 pri čemer je m sodo število to se pravi krivulje z
implicitno enačbo
ym = xmminus1(aminusx) (6)
oziroma xm + ym = axmminus1 Pri danem m označimo ustrezno krivuljo s Hm
Med njimi je tudi stara znanka x2 + y2 = ax krožnica s polmerom a2
in središčem v točki S(a20) Skupne vsem krivuljam so točke O(00)
Cplusmn(a2plusmna2) D(a0) ter navpični tangenti v O in D Krivulje Hm so za-
ključene in simetrične glede na os x in se dajo lepo parametrizirati z y = tx
Za vsako dobimo parametrično enačbo
x(t) =a
1+ tm y(t) =
at1+ tm
(7)
Najbolj se taka krivulja oddalji od abscisne osi za t = 1 mradicmminus1 v točkah
Yplusmn(a(mminus1)mplusmnam mradic
(mminus1)mminus1) Za t = 0 dobimo točko D za ∣t∣rarrinfin pa
57
se krivulja bliža točki O Slika 34 kaže nekaj primerov
Slika 34 Nekaj krivulj Hm
Naj bo s poljubno pozitivno število in A(0as) točka na osi y Premica
skozi A in D preseka krivuljo Hm v točkah D(a0) in B(x0y0) za katero
potrebujemo samo razmerje y0x0 Na sliki 35 je izbran eksponent m = 4
Premica skozi A in D ima enačbo xa+sya = 1 iz katere izrazimo aminusx = sy
in vstavimo v enačbo (6) Dobimo ym = ysxmminus1 Ker iščemo točko B s
pozitivno ordinato lahko z y krajšamo in dobimo y0x0 =mminus1radics
Premica skozi O in B ima enačbo y = y0xx0 in preseka premico x = a
v točki C(aay0x0) oziroma C(aa mminus1radics) Zato je ∣DC∣ = ∣OD ∣ mminus1
radics) V
primeru m = 4 in s = 2 je ∣DC∣ = ∣OD ∣3radic
2) kar pomeni da se nam je pos-
rečilo podvojiti trirazsežno kocko Za s = 3 kocko potrojimo za s = 4
početverimo itd Še več zam = 6 in s = 2 podvojimo 5-razsežno hiperkocko
58
za s = 3 jo potrojimo za s = 4 početverimo itd
Slika 35 Krivulja H4 in pomnožitev roba trirazsežne kocke
Lihih m nam ni treba posebej obravnavati ker krivulje Hm ne bi bile
prave de Slusove perle Poleg tega bi tedaj bil mminus 1 sodo število denimo
m minus 1 = 2αq z naravnim α in lihim q Korenjenje se potem da izvesti z
α-kratnim kvadratnim korenjenjem in enim q-tim korenjenjem s krivuljo
Hq+1 kakor smo zgoraj opisali
Drug način za pomnožitev hiperkock poteka s cisoidami Cm krivuljHm
in premice x = a Pri parametru t premica y = tx preseka premico x = a
v točki C(aat) točka B pa ima tedaj koordinati dani z parametričnima
enačbama (7) S koordinatami točk B in C imamo takoj
ETHBC = (aminus
a1+ tm
at minusat
1+ tm) = (
atm
1+ tmatm+1
1+ tm)
59
Slika 36 Nekaj krivulj Cm
Da bo točka T na cisoidi Cm mora veljati zvezaETHOT =
ETHBC Potemtakem ima
Cm parametrični enačbi
x(t) =atm
1+ tm y(t) =
atm+1
1+ tm (8)
Ker je t = yx dobimo še implicitno enačbo krivulje Cm
xm+1 = ym(aminusx) (9)
oziroma x(xm+ym) = aym Krivulje so za sodem definirane nad intervalom
60
[0a) so simetrične glede na os x imajo za asimptoto premico x = a in
potekajo skozi koordinatno izhodišče O in točki Cplusmn(a2plusmna2) Asimptoti
se krivulja bliža ko ∣t∣ rarr infin V točki O pri t = 0 imajo ost z vodoravno
tangento Za m = 2 dobimo staro znanko Dioklovo cisoido
Slika 37 Krivulja C4 in pomnožitev roba 5-razsežne hiperkocke
Izberimo sedaj na ordinatni osi točko A(0as) pri čemer je s pozi-
tivno število in vzemimo premico skozi točki A in D (slika 37) Ta ima
enačbo xa + y(as) = 1 iz katere izrazimo a minus x = ys Premica preseka
cisoido Cm v točki M(x0y0) s pozitivno ordinato Iz enačb premice skozi
A in D in (9) dobimo y0x0 = m+1radics Premica skozi točki O in M ima
enačbo y = y0xx0 in preseka premico x = a v točki E(aa m+1radics) Torej velja
61
zveza ∣DE∣ = ∣OD ∣ m+1radics kar pomeni da smo našli rob (m + 1)-razsežne
hiperkocke ki ima za prostornino s-kratnik prostornine dane (m + 1)-
razsežne hiperkocke
Naj bo Sm ploščina lika ki ga omejuje krivulja Hm in Qm ploščina
neomejenega lika ki ga omejuje krivulja Cm z asimptoto Ni ju težko
izraziti
Pm =a2(mminus1)πm2 sin π
m Qm =
a2(m+1)πm2 sin π
m
Nadalje naj bo Vm prostornina telesa ki nastane z rotacijo krivulje Hm
okoli osi x Wm pa prostornina neomejenega telesa ki nastane z rotacijo
krivulje Cm okoli osi x Prav tako ju ni težko izraziti
Vm =2a3(mminus1)(mminus2)π2
3m3 sin 2πm
Wm =2a3(m+1)(m+2)π2
3m3 sin 2πm
Ploščine in prostornine so poleg drugega zanimale že matematike v
17 stoletju zlasti C Huygensa Izračunajmo prostornino telesa Um ki
nastane z rotacijo lika med cisoido in njeno asimptoto okoli te asimptote
(slika 38) Uporabili bomo sodobne zapise in Eulerjevi funkciji B in Γ ki
ju C Huygens še ni mogel poznati Presek nastalega telesa na višini y je
krog s polmerom aminusx in ploščino π(aminusx)2 Upoštevamo še simetrijo lika
glede na os x uporabimo parametrično obliko (8) in nastavimo integral
Um = 2πintinfin
0(aminusx(t))2y(t)dt = 2πa3
int
infin
0
tm(tm +m+1)(1+ tm)4 dt
ki ga lahko izrazimo v obliki
Um = 2πa3(I2 + (mminus1)I3 minusmI4)
pri čemer je
Ik = intinfin
0
dt
(1+ tm)k
62
ki ima za m ge 2 in k ge 1 končno vrednost S substitucijo u = 1(1 + tm)
dobimo
Ik =1m int
1
0ukminus1minus1m(1minusu)1mminus1du =
1m
B(kminus1m1m) =Γ(k minus1m)Γ(1m)
mΓ(k)
Na koncu je rezultat zelo preprost
Um =2π2a3(m2 minus1)
3m3 sin πm
Prve tri prostornine so
U2 =π2a3
4 U4 =
5radic
2π2a3
32 U6 =
35π2a3
162
Slika 38 Telo nastalo z zasukom lika med krivuljo C2 in njeno asimptoto
okoli te asimptote
Izračunajmo prostornino telesa Um ki nastane z rotacijo lika med cisoido
in njeno asimptoto okoli osi y (slika 39) Presek nastalega telesa na višini y
63
je krožni kolobar z notranjim polmerom x in zunanjim polmerom a ki ima
ploščino π(a2minusx2) Upoštevamo še simetrijo lika glede na os x uporabimo
parametrično obliko (8) in nastavimo integral
Um = 2πintinfin
0(a2 minusx2(t))y(t)dt = 2πa3
int
infin
0
tm(tm +m+1)(2tm +1)(1+ tm)4 dt
ki ga lahko izrazimo z zgoraj vpeljanimi integrali Ik v obliki
Um = 2πa3(2I1 + (2mminus3)I2 minus (3mminus1)I3 +mI4)
Na koncu dobimo za rezultat
Um =2π2a3(m+1)(2m+1)
3m3 sin πm
Prve tri prostornine so
U2 =5π2a3
4 U4 =
15radic
2π2a3
32 U6 =
91π2a3
162
V 17 stoletju so se zanimali tudi za težišča homogenih likov in teles
Lik ki ga omejuje krivulja Hm ima težišče na abscisni osi oddaljen za xT
od osi y Da bi lahko poiskali xT moramo najprej izračunati za ta lik
moment
Mm = 2inta
0xy dx = 2int
0
infinx(t)y(t)xdt = 2a3mint
infin
0
tm
(1+ tm)4 dt
Izrazimo z integrali Ik in dobimo
Mm = 2a3m(I3 minus I4) =πa3(mminus1)(2mminus1)
3m3 sin πm
Abscisa težišča lika je potem kvocient momenta Mm in ploščine Sm
xT =(2mminus1)a
3m
64
Slika 39 Telo nastalo z zasukom lika med krivuljo C2 in njeno asimptoto
okoli osi y
Lik omejen s krivuljo Cm ima težišče na abscisni osi oddaljen za xC
od osi y Da bi poiskali xC uporabimo kar PaposndashGuldinovo pravilo za
prostornino vrtenine
2πxC sdotQm = Um
kjer je Qm ploščina lika ki ga rotiramo okoli osi y Rezultat je proti vsem
pričakovanjem zelo preprost
xC =(2m+1)a
3m
Poznoantični matematik Papos iz Aleksandrije (290ndash350) v grščini Πάπ-
πος ὁ Αλεξανδρεύς v latinščini Pappus je pomemben ker je zbral prak-
tično vse dotakratno matematično znanje Grkov in dodal še marsikaj svo-
65
jega Njegovo najpomembnejše delo je rdquoZbirkardquo v grščini Συναγωγή Uk-
varjal se je tudi s klasičnimi grškimi geometrijskimi problemi
Jezuit Paul Guldin (1577ndash1643) je bil švicarski matematik in astronom
profesor matematike na Dunaju in v Gradcu Pred tem je študiral v Rimu
Skupaj s Paposom je znan
po pravilih za izračun prostornine rotacijskega telesa in površine rotacij-
ske ploskve
Slika 40 Telo nastalo z zasukom lika ki ga omejuje H4 okoli osi y
ProstorninaXm vrtenine ki nastane z rotacijo lika omejenega s krivuljo
Hm okoli osi y je po PaposndashGuldinovem pravilu za prostornino enaka
Xm = 2πxT sdot Pm = 2π(2mminus1)a
3msdota2(mminus1)πm2 sin π
m=
2π2a3(2mminus1)(mminus1)3m3 sin π
m
Slika 40 kaže vrtenino za primer krivulje H4 Podobne slike bi dobili tudi
za druge Hm
Če isti lik rotiramo okoli premice x = a tangente na krivuljo Hm v
točki D dobimo vrtenino s prostornino Ym ki jo izračunamo prav tako
66
po PaposndashGuldinovem pravilu za prostornino in dobimo
Ym = 2π(aminusxT ) sdot Pm = 2π(m+1)a
3msdota2(mminus1)πm2 sin π
m=
2π2a3(m2 minus1)3m3 sin π
m
Opazimo da je prostornina Ym enaka prostornini Um telesa ki nastane
z rotacijo lika med krivuljo Cm in njeno asimptoto okoli te asimptote
Dokler ni bil razvit infinitezimalni račun kakršnega poznamo danes
so računali ploščine težišča prostornine in površine za vsak primer pose-
bej Veliko so se v 17 stoletju pa tudi že prej znani matematiki ukvarjali
s cikloido na primer N Kuzanski M Mersenne G Galilei G P de Rober-
val C Wren G Cardano B Pascal I Newton G W Leibniz C Huygens
je neko njeno lastnost uporabil pri izdelavi ure na nihalo
Evdoksova kampila
Oglejmo si naslednjo konstrukcijo točk krivulje V točki D(a0) pri čemer
je a gt 0 postavimo pravokotnico p na abscisno os Na p izberemo točko
A ki jo bomo kasneje premikali po tej premici Skozi O in A načrtamo
premico q in skozi A krožnico s središčem v koordinatnem izhodišču O
Krožnica preseka abscisno os v točkah B in Bprime ki sta simetrični glede na
točko O V B in Bprime konstruiramo pravokotnici r in rprime na os x ki presekata
p v točkah T in T prime ki sta tudi simetrični glede na točko O Ko teče točka
A po premici p opišeta T in T prime dvodelno krivuljo ki so jo poimenovali
rdquoEvdoksova kampilardquo Točka T opiše njeno desno vejo T prime pa levo Krivulja
je očitno simetrična glede na obe koordinatni osi (slika 41)
Enačbo desne veje dobljene Evdoksove kampile je najlaže najprej izraz-
iti v polarnih koordinatah nato pa še v implicitni obliki v pravokotnih
67
Slika 41 Konstrukcija točk Evdoksove kampile
kartezičnih koordinatah Za polarni kot ϕ vzamemo naklonski kot pre-
mice q za polarni radij pa razdaljo ∣OT ∣ (slika 41) Najprej očitno veljata
zvezi ∣OA∣ = ∣OD ∣cosϕ = acosϕ in = ∣OT ∣ = ∣OB∣cosϕ = ∣OA∣cosϕ iz
katerih dobimo = acos2ϕ tako da je nazadnje pri pogoju minusπ2 ltϕ ltπ2
polarna enačba desne veje Evdoksove kampile
(ϕ) =a
cos2ϕ (10)
Obe veji krivulje imata implicitno obliko
a2(x2 +y2) = x4 (11)
ki jo dobimo iz polarne oblike z upoštevanjem zvez 2 = x2 + y2 in cosϕ =
x Krivulja v obliki (11) ima izolirano točko O(00) ki je posledica del-
jenja z ki je lahko tudi enak 0 Evdoksova kampila je algebrska krivulja
četrte stopnje
Z Evdoksovo kampilo se da podvojiti kocko Načrtamo krožnico s
središčem v točkiD in polmerom a Njena enačba je x2+y2 = 2ax Vstavimo
68
Slika 42 Podvojitev kocke z Evdoksovo kampilo
2ax namesto x2 + y2 v (11) in dobimo enačbo x4 minus2a3x = x(x3 minus2a3) = 0 ki
ima realni rešitvi x0 = 0 in x1 = a 3radic
2 V prvem kvadrantu se krožnica in
Evdoksova kampila sekata v točki T (a 3radic
2aradic
2 3radic
2minus 3radic
4) kar pomeni da
ima točka T absciso
∣T0T ∣ = b = a 3radic2
Kocka z robom b ima prostornino b3 = 2a3 torej dvakratnik prostornine
kocke z robom a
Grška beseda καμπύλος pomeni rdquokriv zavit upognjenrdquo v ženski ob-
liki καμπύλη beseda γραμμή pa rdquočrta potezardquo Polno ime krivulje je v
grščini καμπύλη γραμμή torej rdquokriva črtardquo na kratko so jo poimenovali kar
rdquokampilardquo kateri so dodali še Evdoksovo ime Evdoks iz Knida (408ndash355
pnš) Εὔδοξος ὁ Κνίδιος je bil starogrški matematik in astronom Bil je
Arhitov učenec v Tarentu grško Τάρας in Platonov na Akademiji v Ate-
nah Obiskal je tudi Sicilijo in Egipt Kasneje je ustanovil svojo šolo v
Kiziku grško Κύζικος ob Mramornem morju ali Propontidi grško Προ-
ποντίς Pomemben je njegov doprinos v teoriji razmerij in nesoizmerljivih
količin kar je uporabil Evklid Εὐκλείδης v svojih Elementih Στοιχεῖα
69
Grška beseda εὔδοξος pomeni med drugim rdquosloveč slaven ugledenrdquo
V astronomiji je Evdoks zagovarjal geocentrični svetovni sistem in za
pojasnitev gibanja planetov in Lune uvedel sistem koncentričnih sfer ki
se vrtijo ena v drugi S tem v zvezi je uvedel še eno krivuljo ki jo poznamo
pod imenom rdquoEvdoksova hipopedardquo
Problem podvojitve kocke je na svojevrsten način s torusom valjem
in stožcem rešil pitagorejec in vojaški poveljnik Arhitas iz Tarenta v južni
Italiji grško Αρχύτας ὁ Ταραντίνος rojen med letoma 435 in 410 umrl
pa med letoma 360 in 350 pnš Morda je Evdoks Arhitovo prostorsko
rešitev problema podvojitve kocke poenostavil na reševanje v ravnini in
tako prišel do svoje kampile Dokazano to ni nikjer ve se le da mu je
rešitev uspelo najti z neko krivuljo Način reševanja pa je podoben reše-
vanju z Uhlhornovo toksoido ki ima tudi podobno enačbo v polarni obliki
(ϕ) = acos3ϕ
Tako Uhlhornova toksoida kot Evdoksova kampila spadata v skupino
Clairautovih krivulj = acosnϕ ali = asinnϕ Če je n racionalno število
je Clairautova krivulja algebrska Alexis Claude Clairaut (1713ndash1765) je
bil francoski matematik in astronom
Evdoksovo kampilo brez izolirane toke O parametriziramo kar s po-
larnim kotom
x(ϕ) =a
cosϕ y(ϕ) =
asinϕcos2ϕ
Njena ukrivljenost κ(ϕ) se izraža v obliki
κ(ϕ) =cos3ϕ(3sin2ϕ minus1)
a(3sin2ϕ +1)32
Ukrivljenost spremeni predznak pri kotu ϕ za katerega je 3sin2ϕ minus1 = 0
V takih točkah ima krivulja prevoje Evdoksova kampila ima štiri in sicer
70
Slika 43 Desna veja Evdoksove kampile prevoja in pritisnjena krožnica
v točkah (plusmnaradic
62plusmnaradic
32) Strmini tangent v teh točkah sta plusmn2radic
2 Os x
presekata za desno vejo v točki G(3aradic
680) Krivinski polmer v točkah
D inDprime je enak a Središče pritisnjene krožnice v točkiD je v točki S(2a0)
Približno ujemanje krivulje tangent v prevojih Pplusmn in pritisnjene krožnice v
temenu D kaže slika 43 Ujemanje bi lahko izkoristili za približno podvo-
jitev kocke Če namesto Evdoksove kampile vzamemo kar njeno tangento
y = 2radic
2(xminusaradic
62)+aradic
32
v prevoju v prvem kvadrantu in poiščemo absciso ξ presečišča s krožnico
x2 +y2 = 2ax dobimo
ξa=
118
radic
24radic
6minus23+
radic6
3+
19≐ 1259956951
namesto točnejše vrednosti
3radic
2a
≐ 1259921049
71
Če bi podoben račun naredili za Uhlhornovo toksoido ki se v prevojih
tudi približno ujema s tangentama bi dobili slabši rezultat
Zgoraj opisani približek lahko izkoristimo za precej natančno evklid-
sko konstrukcijo roba b podvojene kocke z robom a V koordinatnem sis-
temu Oxy narišemo krožnico s polmerom a s središčem v točki D(a0)
skozi O pa konstruiramo premico p z naklonskim koeficientom k = 2radic
2
Na abscisni osi konstruiramo točkoG(3aradic
680) in skoznjo premico q vz-
poredno s p Presečišče te premice s krožnico je točka T njena pravokotna
projekcija na os y pa točka T0 Razdalja b = ∣T0T ∣ je dober približek za
a 3radic
2 (slika 44) Pri tem izkoristimo izraza za diagonalo kvadrata in višino
enakostraničnega trikotnika v katerih nastopataradic
2 inradic
3 s kombinacijo
obeh pa šeradic
6 Podrobnosti so izpuščene z malo truda lahko konstrukcije
izvede vsak sam
Slika 44 Približna podvojitev kocke
Zrcalno sliko Evdoksove kampile (11) na krožnici x2 + y2 = a2 takoj
dobimo iz polarne oblike njene desne veje lowast(ϕ) = acos2ϕ Z zapisom v
pravokotnih kartezičnih koordinatah dobimo implicitno obliko za celotno
prezrcaljeno krivuljo
(x2 +y2)3 = a2x4
72
Krivulja je algebrska šeste stopnje Simetrična je glede na obe koordinatni
osi Njeni največji odkloni od osi x so pri polarnih kotih ϕ za katere je
3sin2ϕ = 1 to je v točkah (plusmn2aradic
69plusmn2aradic
39) kjer ima krivulja vodo-
ravni dvojni tangenti
Slika 45 Zrcaljenje Evdoksove kampile na krožnici
Nova krivulja spada med Clairautove Ploščina P obeh delov jajčastih
oblik je
P = 4 sdota2
2 intπ2
0cos4ϕdϕ = 2a2 sdot
34
sdotπ2=
3πa2
8
Problem podvojitve kocke grško διπλασιασμός τοῦ κύβου ali deloški
problem poimenovan po grškem otoku Delosu v Egejskem morju je reše-
valo več grških geometrov ki so celo skušali izdelati v ta namen posebno
orodje Platon je pograjal Evdoksove Arhitove in Menajhmove učence
češ da njihovi napori kvarijo kar je dobrega v geometriji Nastal je celo
epigram (puščica zbadljivka) v zvezi s podvojitvijo kocke ki je zapisan v
Evtokijevih komentarjih k Arhimedovi razpravi rdquoO krogli in valjurdquo grško
Περὶ σφαίρας καὶ κυλίνδρου Matematik in neoplatonist Evtokij iz Aškalona
v Palestini Εὐτόκιος ὁ Ασκαλονίτης je bil poznoantični matematik rojen
73
okoli leta 480 umrl pa je okoli leta 520 O njem se ve bore malo Nekaj
časa je deloval v Atenah nazadnje pa v Aleksandriji Napisal je tudi ko-
mentarje k Apolonijevi razpravi rdquoStožnicerdquo v grščini Κωνικά Na stožnice
se je v srednjem kar nekoliko pozabilo zanimanje zanje je spet oživelo
šele v času Keplerja in Newtona ko je bil potreben opis gibanja planetov
v heliocentričnem svetovnem sistemu
Navedimo omenjeni epigram v grščini in v prevodu S Weiss (vzeto iz
obsežnega knjižnega dela v treh delih [3])
Μηδὲ σύ γrsquo Αρχύτεω δυσμήχανα ἔργα κυλίνδρων
μηδὲ Μεναιχμείους κωνοτομεῖν τριάδας
διζήσηι μηδrsquo εἴ τι θεουδέος Εὐδόξοιο
καμπύλον ἐν γραμμαῖς εἶδος ἀναγράφεται
Težkih Arhitovih del s cilindri nikar ne posnemaj
stožnic Menajhmovih treh nikdar izsekal ne boš
niti ne boš spoznal če božanskega črte Evdoksa
res zarišejo lik tak iz zavitih kampil
Videli smo kaj vse se da povedati o neki krivulji če obvladamo in-
finitezimalni račun Seveda nam je to sedaj ko imamo na voljo najnovejše
pripomočke in obsežno ter dostopno matematično literaturo veliko laže
kot je bilo matematikom v 17 stoletju ko so v marsičem še orali ledino
Pomembni znanstveniki rojeni v 17 stoletju
Navedimo nekaj pomembnih znanstvenikov predvsem matematikov fizi-
kov in astronomov ki so se rodili v 17 stoletju Razvrščeni so po letnicah
74
rojstva Veliko podatkov dobimo v [1 5] in na svetovnem spletu
Gilles Personne de Roberval (1602ndash1675)
Pierre de Fermat (1607ndash1665)
Giovanni Alfonso Borelli (1608ndash1679)
Evangelista Torricelli (1608ndash1647)
John Pell (1610ndash1685)
Johann Hevel (1611ndash1687)
Frans van Schooten (1615ndash1660)
Carlo Renaldini (1615ndash1698)
John Wallis (1616ndash1703)
Henry Oldenburg (1618ndash1677)
Michelangelo Ricci (1619ndash1682)
William Brouncker (1620ndash1684)
Edmeacute Mariotte (1620ndash1684)
Jean Picard (1620ndash1682)
Vincenzo Viviani (1622ndash1703)
Reneacute-Franccedilois de Sluse (1622-1685)
Blaise Pascal (1623ndash1662)
Giovanni Domenico Cassini (1625ndash1712)
Robert Boyle (1627ndash1691)
Christiaan Huygens (1629ndash1695)
Isaac Barrow (1630ndash1677)
Ehrenfried Walther von Tschirnhaus (1631ndash1708)
Christopher Wren (1632ndash1723)
Johann Hudde (1633ndash1704)
Robert Hooke (1635ndash1703)
75
William Neile (1637ndash1670)
James Gregory (1638ndash1675)
Philippe de la Hire (1640ndash1719)
Isaac Newton (1643ndash1727)
Olaus Roslashmer (1644ndash1710)
Gottfried Wilhelm Leibniz (1646ndash1716)
Denis Papin (1647ndash1712)
Michel Rolle (1652ndash1719)
Pierre Varignon (1654ndash1722)
Jacob Bernoulli (1655ndash1705)
Edmund Halley (1656ndash1742)
Guillaume Franccedilois Antoine LrsquoHocircpital (1661ndash1704)
David Gregory (1661ndash1708)
Abraham de Moivre (1667ndash1754)
Johann Bernoulli (1667ndash1748)
Jacopo Francesco Riccati (1676ndash1754)
Giulio Carlo Fagnano (1682ndash1766)
Roger Cotes (1682ndash1716)
Reneacute Antoine Reacuteaumur (1683ndash1757)
Greacutegoire de Saint-Vincent (1584ndash1667)
Brook Taylor (1685ndash1731)
Gabriel Daniel Fahrenheit (1686ndash1736)
Colin Maclaurin (1698ndash1746)
Pierre Louis Moreau de Mapertuis (1698ndash1759)
76
Viri
[1] I Asimov Biografska enciklopedija znanosti in tehnike Tehniška za-
ložba Slovenije Ljubljana 1978
[2] J Bair V Henry Sluse ses perles et son algorithme Losanges 14
(2011) str 14ndash18 httphdlhandlenet2268100155 (videno 10
7 2021)
[3] G Kocijančič (urednik) Fragmenti predsokratikov Študentska za-
ložba Ljubljana 2012
[4] G Loria Spezielle algebraische und transscendente ebene Kurven
Teubner Leipzig 1902
[5] U C Merzbach C B Boyer A History of Mathematics John Wiley amp
Sons Hoboken New Jersey 2011
[6] J J OrsquoConnor E F Robertson Reneacute Franccedilois Walter de Sluze MacTu-
tor
httpsmathshistoryst-andrewsacukBiographiesSluze
(videno 10 7 2021)
[7] B von Pape Von Eudoxus zu Uhlhorn Books on Demand Norderstedt
2019
[8] M Razpet Pomnožitev hiperkocke Obzornik mat fiz 68 (2021) št 1
str 1-9
[9] M Razpet in N Razpet Prepogibanje papirja podvojitev kocke in
Slusova konhoida Obzornik mat fiz 67 (2020) št 2 str 41-51
77
[10] Y Renotte Reneacute de Sluze dialogues avec Christiaan Huygens
Bulletin de lrsquouniversiteacute du 3e acircge - Liegravege 23 (2021) 4 strani
httphdlhandlenet22682596400 (videno 10 7 2021)
[11] R F Slusius Mesolabum seu duaelig mediaelig proportionales inter ex-
tremas datas per circulum et ellipsim vel hyperbolam infinitis modis
exhibitaelig Leodii Eburonum Liegravege 1659
[12] R F Slusius Mesolabum seu duaelig mediaelig proportionales inter ex-
tremas datas per circulum et per infinitas hyperbolas vel ellipses et
per quamlibet exhibitaelig ac problematum omnium solidorum effectio
per easdem curvas Leodii Eburonum Liegravege 1668
[13] D Uhlhorn Entdeckungen in der houmlhern Geometrie theoretisch und
practisch abgehandelt Schulzersquosche Buchhandlung Oldenburg 1809
[14] I Vidav Algebra Mladinska knjiga Ljubljana 1972
Avtor se zahvaljuje prof dr Milanu Hladniku za strokovni pregled
copy(2021) Marko Razpet
78
Prav tako so bili v de Slusovem času še vedno aktualni problemi reše-
vanja algebrskih enačb tretje in četrte stopnje čeprav so to znali že itali-
janski matematiki S del Ferro N Tartaglia G Cardano in L Ferrari Še
vedno pa so bili živi antični problemi kvadrature kroga trisekcije kota in
podvojitve kocke s katerimi so se ubadali grški geometri Kot je znano gre
pri problemu podvojitve kocke za konstrukcijo kocke s prostornino ki je
dvakrat večja od prostornine dane kocke Problema se ne da rešiti z neoz-
načenim ravnilom in šestilom kot si je zamislil Platon pač pa s pomočjo
nekaterih algebrskih krivulj ali pa s posebnimi mehanskimi napravami
De Sluse je obravnaval geometrijsko reševanje algebrskih enačb tretje in
četrte stopnje z uporabo presečišč stožnic Descartes je pokazal da se
problem lahko rešuje z iskanjem presečišč parabole in krožnice de Sluse
pa je pokazal da lahko parabolo nadomestimo s katerokoli stožnico kar
se je izkazalo za veliko bolj prilagodljivo in elegantno kot Descartesova
metoda Svojo metodo je pod velikim vplivom Viegravetovih in drugih del
razvil v delu rdquoMesolabumrdquo (1659) še posebej v njegovi drugi izdaji (1668)
Celotna naslova izdaj nista popolnoma identična (glej [11 12]) Razvil je
tudi postopek za iskanje subtangente in s tem tangente katerekoli alge-
brske krivulje in to brez uporabe odvoda funkcije kakršnega poznamo
dandanes
Na sliki 3 opazimo v letnici izdaje de Slusovega Mesolabuma tudi malo
drugačen zapis rimskih številk za 500 in 1000 Navajeni smo ju pisati v
obliki D in M Namesto D so svoj čas pisali I in narobe obrnjen C torej
I C kar je skoraj D Za M pa CI C Število I Cje druga polovica od CI C
kar je v soglasju z dejstvom da je 500 polovica od 1000 Razlog za tako
pisavo sega v čas starih Grkov Etruščanov in Rimljanov Baje so nekoč
uporabljali za 1000 črko Φ iz katere se je razvila oznaka CI C iz te pa M
11
Eratostenov mesolabum
Beseda rdquomesolabumrdquo je zelo stara Izvira iz grške besede μεσολάβος (morda
tudi iz μεσολάβον) ki je v antiki pomenila posebno geometrijsko orodje
za določevanje prve in druge srednje geometrijske sorazmernice Beseda
izvira iz grške μέσος kar pomeni rdquosrednjirdquo in λαμβάνω kar pomeni rdquovza-
mem primem zgrabim pograbim popadem ulovimrdquo Glagolska os-
nova je λαβ- je tista iz katere izhajata nedoločnik λαβεῖν in aorist λάβον
Mesolabum je potemtakem tisto s čimer lovimo sredino lovilec sredin
Podobna beseda je rdquoastrolabrdquo starodavna astronomska naprava za določe-
vanje položaja zvezd v grščini ἀστρολάβον ὄργανον
V grških besedilih je glagol λαμβάνω eden od osnovnih in kot tak zelo
pomemben V taki ali drugačni obliki je zato zelo pogost Za primer
navedimo iz Odiseje (XXIV 397ndash399 prevod A Sovregrave )
ὣς ἄρ ἔφη Δολίος δv ἰθὺς κίε χεῖρε πετάσσας
ἀμφοτέρας ᾿Οδυσεῦς δὲ λαβὼν κύσε χεῖρv ἐπὶ καρπῷ
καί μιν φωνήσας ἔπεα πτερόεντα προσηύδα
To je dejal Približa se Dolios rok mu razpetih
prime gospoda v zapestju roko mu ginjen poljubi
z glasom obrne se k njemu pa reče krilate besede
V latinščini imenujejo mesolabum tudi rdquomesolabiumrdquo kar se čudno
sliši ker beseda rdquolabiumrdquo pomeni ustnica Iz besede rdquolabiumrdquo so izvedene
še druge V fonetiki imamo glasove ki jih sooblikujemo z ustnicami in se
zato imenujejo rdquolabialirdquo na primer rdquoprdquo in rdquobrdquo
12
Mesolabum je iznašel Eratosten iz Kirene (276ndash195 pnš) grško ᾿Ερα-
τοσθένης ὁ Κυρηναῖος ki je deloval v Aleksandriji kot vodja tamkajšnje
slavne knjižnice ki je bila del Muzejona hiše učenosti in umetnosti grško
Μουσεῖον τῆς Αλεξανδρείας in je najbolj znan po svojem situ za iskanje
praštevil in po izračunu velikosti Zemlje Pri mesolabumu gre za to kako
mehansko določiti prvo in drugo srednjo geometrijsko sorazmernico x in
y daljic a in b kjer je 0 lt a lt b Srednji geometrijski sorazmernici x in y
morata zadoščati relacijiax=xy=y
b (1)
Če označimo te tri kvociente z λ in jih med seboj zmnožimo dobimo
axsdotxysdoty
b=ab= λ3
To pomeni da je
λ = 3
radicab x =
3radica2b y =
3radicab2
Pri tem velja relacija a lt x lt y lt b ki je posledica relacije
a3 = a2a lt a2b = aab lt abb = ab2 lt bb2 = b3
iz katere sledi po kubičnem korenjenju a lt3radica2b lt
3radicab2 lt b Zato lahko
rečemo da sta x in y sredini daljic a in b saj sta med a in b
Za b = 2a je x = a 3radic
2 in y = a 3radic
4 To pomeni da se s tem posreči pod-
vojiti in početveriti kocko Kocka z robom x ima namreč dvakrat kocka z
robom y štirikrat večjo prostornino kot kocka z robom a in dvakrat večjo
kot kocka z robom x ker je x3 = 2a3 in y3 = 4a3 = 2x3 Prvi ki je prišel na
idejo poiskati srednji geometrijski sorazmernici x in y za a in b = 2a je bil
v 5 stoletju pnš živeči Hipokrat z otoka Hios v grščini ῾Ιπποκράτης ὁ
Χῖος Skušal je rešiti problema podvojitve kocke in kvadrature kroga
13
Eratosten je bil nad svojim izumom mesolabuma tako navdušen da je
en primerek baje daroval v nekemu templju sicer pa ga je posvetil kralju
Ptolemaju III (284ndash222 pnš) imenovanemu tudi Ptolemaj Dobrotnik
grško Πτολεμαῖος Εὐεργρέτης
Slika 4 Osnovni elementi Eratostenovega mesolabuma
Sedaj je čas da opišemo Eratostenov mesolabum Njegov je bil sicer
izdelan iz lesa slonove kosti in kovin mi pa si ga bomo ogledali she-
matično geometrijsko uporabljajoč pravokotnike trikotnike daljice pre-
mice točke razmerja in sorazmerja
V ravnini so postavljeni skladni pravokotniki A1B1C1D1 A2B2C2D2 in
A3B3C3D4 s stranicami A1B1 A2B2 in A3B3 na skupni premici na kateri
ostanejo ves čas v nadaljevanju opisanega postopka Vse stranice pra-
vokotnikov pravokotne na to premico imajo dolžino b Dolžina pre-
ostalih stranic ni pomembna Na stranici B3C3 izberemo točko T tako
da je ∣B3T ∣ = a Prvi pravokotnik je negiben preostala dva pa lahko dr-
sita po premici tako da se tretji lahko skrije pod drugega drugi pa pod
prvega S tem lahko gibljiva dva postavimo tako da dobimo daljice dolžin
14
x in y ki skupaj z a in b zadoščajo relaciji (1) Pravokotniki so razdeljeni z
med seboj vzporednimi diagonalami na pravokotne trikotnike (slika 4)
Slika 5 Premik pravokotnikov Eratostenovega mesolabuma
Ko premikamo drugi pravokotnik pod prvega njegova diagonala B2D2
prej ali slej seka stranico B1C1 negibnega pravokotnika denimo v točki
E Ko pa premikamo tretji pravokotnik pod drugega njegova diagonala
B3D3 prej ali slej seka stranico B2C2 drugega pravokotnika denimo v točki
F Cilj premikanja pravokotnikov sem in tja je doseči kolinearnost točk
D1EF in T Kot bomo kmalu videli takrat x = ∣B2F∣ in y = ∣B1E∣ ustrezata
relaciji (1)
Kolinearnost točk D1EF in T dosežemo s postopkom ki mu učeno
rečemo rdquoiteracijardquo Malo premaknemo drugi pravokotnik nato malo tret-
jega pa zopet drugega itd dokler s svojo spretnostjo ne dosežemo zado-
voljive natančnosti V natančni legi označimo u = ∣B1D1∣ v = ∣B2E∣ in
w = ∣B3F∣ Te daljice so med seboj vzporedne (slika 6) in zaradi podob-
nosti trikotnikov A1B1D1 B1B2E in B2B3F ter trikotnikov B1ED1 B2FE in
15
Slika 6 Končna lega pravokotnikov Eratostenovega mesolabuma
B3T F dobimo sorazmerja
bu=y
v=xwy
u=xv=aw
iz katerih sledijo relacije
xw = av xv = yw yv = ux bv = uy
Iz prve druge tretje in četrte dobimo po vrsti
ax=wvwv=xyxy=vuvu=y
b
Sedaj je nedvomno razvidno da je res
ax=xy=y
b
Tako lahko z Eratostenovo napravo najdemo prvo in drugo srednjo ge-
ometrijsko sorazmernico daljic a in b Podobno bi lahko našli tudi več
srednjih geometrijskih sorazmernic daljic a in b
16
So pa matematiki že davno odkrili da se da srednji geometrijski so-
razmernici najti tudi s parabolama Iz relacije (1) namreč sledita preprosti
zvezi
x2 = ay y2 = bx
V prvi spoznamo enačbo parabole ki ima za simetralo ordinatno os gorišče
v točki F(0a4) in vodnico y = minusa4 v drugi pa enačbo parabole ki ima za
simetralo absciso os gorišče v točki G(b40) in vodnico x = minusb4 (slika 7)
Slika 7 Do srednjih geometrijskih sorazmernic s parabolama
Paraboli se sekata v točkah O(00) in A(3radica2b
3radicab2) Konstrukcijo je
odkril Menajhmos grško Μέναιχμος ki je živel v 4 stoletju pnš Prvi je
vpeljal stožnice kot preseke stožca z ravnino Teorijo stožnic je temeljito
obdelal Apolonij iz Perge (265ndash170 pnš) grško Απολλώνιος ὁ Περγαῖος
Njegove knjige so matematiki uporabljali še vse do Newtonovih časov
Prav tako pridemo do srednjih geometrijskih sorazmernic če poiščemo
presečišči parabole x2 = ay z goriščem F(0a4) in vodnico y = minusa4 ter
krožnice x2 + y2 = bx + ay ki ima središče v točki S(b2a2) in premer
17
Slika 8 Do srednjih geometrijskih sorazmernic s parabolo in krožnico
d =radica2 +b2 Parabola in krožnica se sekata v točkah O in A(
3radica2b
3radicab2)
(slika 8) kar potrdi preprost račun Opisano konstrukcijo je obvladal Reneacute
Descartes Menajhmos in Descartes sta pokazala da se z njunima kon-
strukcijama da rešiti problem podvojitve kocke Za b je treba v opisanih
postopkih vzeti 2a Pripomnimo še da je bila starogrška matematika
pretežno matematika razmerij in sorazmerij in tako je bilo še celo vrsto
stoletij Srednjo geometrijsko sorazmernico x daljic dolžin a in b tako
da velja a ∶ x = x ∶ b iz česar sledi x =radicab se da konstruirati z neoz-
načenim ravnilom in šestilom Spomnimo se na višinski izrek v pravokot-
nem trikotniku ki je pravzaprav posledica podobnosti dveh trikotnikov
na katera višina na hipotenuzo razdeli pravokotni trikotnik
Pri dveh srednjih geometrijskih sorazmernicah x in y pa se kot smo
videli pojavi kubični koren ki pa z omenjenima geometrijskima orodjema
ni konstruktibilen To so matematiki dokazali šele v 19 stoletju Do takrat
so problem skušali rešiti na druge načine in pri tem odkrili nove krivulje
tako da njihov trud le ni bil popolnoma zaman Geometrijski objekt bo za
18
nas rdquokonstruktibilenrdquo če se ga da konstruirati z neoznačenim ravnilom in
šestilom
Drugo de Slusovo delo
De Sluse še vedno velja za izjemno učenega človeka nadarjenega za mate-
matiko izumiteljstvo in posploševanje Njegovo ime je še danes povezano
z njegovimi konhoidami in perlami De Slusova konhoida (slika 9) ki ima
implicitno obliko
(xminus c)(x2 +y2)minus2cx2 = 0
je precej natančno obravnavana v članku [9]
Slika 9 Slusova konhoida
Reneacute de Sluse se ni ukvarjal le z matematiko ampak tudi z astronomijo
fiziko naravoslovjem in seveda teologijo Pogosto se je pritoževal nad
omejitvami ki so mu jih nalagale njegove verske in upravne funkcije
Ni veliko eksperimentiral ker za to ni imel posebnega veselja pa tudi
ne tehničnih možnosti Je pa predlagal drugim zlasti Huygensu da naj
naredijo tak ali drugačen eksperiment Z zanimanjem je bral prepovedane
19
knjige N Kopernika G Galileja in J Keplerja ter kritiziral prizadevanja za
obnovitev starih konceptov Pisal je že o ekscentričnosti v zvezi s Soncem
Zdi se da je za svoje izračune uporabljal oba sistema heliocentričnega
in geocentričnega Rad je opazoval zvezdnato nebo Tako v kemiji kot
drugje se je znašel na razpotju Prebral je modne knjige o alkimiji in
celo ponovil poskus sublimacije antimona v belo barvo vendar je bila nje-
gova razlaga odločno korpuskularna saj je uporabljal Boylove zamisli o
strukturi tekočega in trdnega stanja V podporo temu je izvajal poskuse
zamrzovanja različnih raztopin in študiral sestavo lojevca V medicinski
kemiji se je zanimal za zdravilne vode in jih tudi analiziral
V fiziki sta ga je posebej zanimala merjenje temperature in praktična
termometrija Če ne upoštevamo odkritij E Torricellija in B Pascala o
vplivu atmosferskega tlaka na zračni termometer je de Sluse leta 1664
izumil svoj termometer z voščeno kroglico pomešano s peskom ki se je
gibala v stekleni cevi zaprti na dnu napolnjeni s slano vodo tako da je
bila kroglica bolj ali manj potopljena v sredini cevi kar je opisal v pismih
Huygensu Kroglica je označevala vsako spremembo v zraku iz toplejšega
na hladnejše ko se je spuščala ali dvigala Huygens je odgovoril da je
njegov termometer prepočasen vendar je zanesljivejši od drugih istovrst-
nih termometrov ker je manj podvržen vplivu atmosferskega tlaka Žal
ni poznal florentinskega termometra ko je svojim dopisnikom vključno s
Huygensom in Oldenburgom povedal o svojem izumu Florentinski ter-
mometri so pomenili odločilen korak naprej pri merjenju temperature
Bili so prvi ki so omogočali natančne meritve Pred iznajdbo v Firencah
okoli leta 1650 so bili stari modeli zelo približni določali so ali je pred
nami nekaj hladnega ali vročega ne da bi lahko odčitali ali ocenili tem-
peraturo Razlika je v tem da je steklena cev zaprta tako da je vpliv tlaka
20
odpravljen Uporabljali so se predvsem petdesetstopinjski termometri
Taki termometri so večinoma služili za določanje nihanja temperature zra-
ka v zaprtih prostorih in na prostem Oblikovanje termometra je takrat
pomenilo tudi določitev njegove merilne lestvice vendar še brez Celzijevih
ali Fahrenheitovih stopinj Pri tem so bile stopinje enakomerno razpore-
jene med dvema skrajnostma in sicer med nivojem najhladnejše tekočine
pozimi (nizka točka) in nivojem najbolj vroče tekočine poleti (visoka točka)
Zaradi teh zelo relativnih vrednosti je primerjava meritev med dvema ter-
mometroma nezanesljiva Ob upoštevanju pripomb jo je večkrat spreme-
nil in jo ponovno predložil Oldenburgu do leta 1669 ko je R Boyle izrazil
negativno mnenje glede topnosti voska kroglic v slani tekočini Po tem da-
tumu termometer ni bil nikoli več omenjen De Sluse je zboljšal različne
instrumente ure številčnice barometre Ker ga je motilo prerekanje med
raziskovalci glede avtorstva odkritij je po Oldenburgovi smrti leta 1677
končal svojo znanstveno dejavnost
Šele v 18 stoletju so razvijali temperaturne merilne lestvice C Re-
naldini (1694) O C Roslashmer (1702) G Fahrenheit (1717) Reneacute-Antoine
F de Reacuteaumur (1730) in A Celsius (1741) Enota kelvin (K ndash v čast lordu
Kelvinu 1824-1907) osnovna enota mednarodnega sistema enot za tem-
peraturo je bila uvedena šele leta 1954
De Sluse je bil tudi zgodovinar Napisal je knjigo o smrti sv Lam-
berta škofa v Tongresu ki je bil ubit na kraju kamor je sv Hubert njegov
naslednik prenesel sedež svoje škofije Kraj se je kasneje razvil v Liegravege
Druga zgodovinska študija se nanaša na slavnega maastrichtskega škofa
sv Servacija Med de Slusovimi neobjavljenimi rokopisi je tudi zgodovina
Koumllna Pripomnimo še da je sv Hubert zavetnik lovcev matematikov
optikov in kovinarjev
21
O širini de Sluzovih interesov priča raznolikost tem ki so zajete na
več sto straneh njegovega dela neobjavljenih rokopisov ki jih zdaj hrani
Narodna knjižnica Bibliotheque Nationale v Parizu Čeprav se je ukvarjal
predvsem z matematiko njegovi rokopisi obravnavajo tudi astronomijo
fiziko in naravoslovje
De Slusove perle
Po de Slusu so po zaslugi B Pascala (več o tem v [4]) imenovane tudi
krivulje rdquode Slusove perlerdquo to so krivulje ki se v pravokotnem kartezi-
čnem koordinatnem sistemu Oxy izražajo z enačbo
ym = kxn(aminusx)p (2)
Pri tem so eksponenti mn in p naravna števila a in k pa pozitivni kon-
stanti Glede na parnost eksponentovmn in p formalno razlikujemo osem
možnosti od katerih imamo opravka s perlami le v primeru ko je m sodo
število s pravimi perlami pa v primeru ko je m sodo število n in p pa lihi
števili (slika 10) Skupno tem krivuljam so simetričnost glede na os x in
presečišča s to osjo pri x = 0 in x = a De Sluse je po svoje brez uporabe
odvoda izračunal da njegove perle dosegajo lokalne ekstreme največji
odstop od osi x med 0 in a za x = na(n+p)
V teh primerih je ploščina S lika ki ga ograjuje zanka perle enaka
S = 2k1mint
a
0xnm(aminusx)pmdx = 2k1ma(m+n+p)mint
1
0tnm(1minus t)pmdt
Integracijsko spremenljivko x smo zamenjali z novo spremenljivko t prek
relacije x = at da smo dobili obliko ki jo lahko izrazimo z Eulerjevima
22
Slika 10 Primeri de Slusovih perl
funkcijama B in Γ
S = 2k1ma(m+n+p)mB(nm+1pm+1) =
= 2k1ma(m+n+p)mΓ(nm+1)Γ(pm+1)
Γ((n+p)m+2)=
= 2k1ma(m+n+p)mnp
(m+n+p)(n+p)
Γ(nm)Γ(pm)
Γ((n+p)m)
Pri rotaciji okoli osi x ta lik v prostoru opiše telo s prostornino
V =πk2mint
a
0x2nm(aminusx)2pmdx =πk2ma(m+2n+2p)m
int
1
0t2nm(1minust)2pmdt
23
Slika 11 Zasuk de Slusove perle za m = 2n = 3p = 1k = 001 okoli osi x
Integracijsko spremenljivko x smo tudi to pot zamenjali z novo spremenljivko
t prek relacije x = at da smo dobili obliko ki jo lahko izrazimo z Eulerje-
vima funkcijama B in Γ
V =πk2ma(m+2n+2p)mB(2nm+12pm+1) =
=πk2ma(m+2n+2p)mΓ(2nm+1)Γ(2pm+1)Γ((2n+2p)m+2)
=
= 2πk2ma(m+2n+2p)m np
(m+2n+2p)(n+p)Γ(2nm)Γ(2pm)
Γ((2n+2p)m)
Poseben primer de Slusove perle
Natančneje bomo obravnavali de Slusovo perlo samo primer za m = n = 2
p = 1 in k = 1a to se pravi krivuljo K ki ima implicitno enačbo ay2 =
x2(a minus x) To pa zato ker se posamezne točke te krivulje da preprosto
konstruirati z osnovnim geometrijskim orodjem
24
Geometrijska konstrukcija in analitična obravnava
Do posameznih točk T krivulje K pridemo s preprosto geometrijsko kon-
strukcijo (slika 12) V pravokotnem kartezičnem koordinatnem sistemu
Oxy načrtamo premico x = a kjer je a pozitivna konstanta Skozi koordi-
natno izhodišče O potegnemo premico p ki ima enačbo y = tx in preseka
premico x = a v točki A(ata) Parameter t smerni koeficient premice p s
katerim je sorazmerna ordinata točkeA bomo kasneje spreminjali V točki
A na p postavimo pravokotnico q ki seka os x v točki B V B načrtamo na
q pravokotnico r ki seka premico x = a v točki C nazadnje pa skozi C še
pravokotnico s na r Presečišče premic p in s naj bo točka T (xy) Sedaj
bomo izrazili njeni koordinati x in y s parametrom t
Slika 12 Konstrukcija točke T de Slusove perle K
Premica q ima enačbo y = minus(x minus a)t + at in preseka os x v točki B(a +
at20) Premica r ima enačbo y = t(x minus aminus at2) in preseka premico x = a v
točki C(aminusat3) premica s pa enačbo y = minus(xminus a)t minus at3 Koordinati točke
T sta rešitvi sistema enačb
y = tx y = minusxminusat
minusat3
25
Po krajšem računu dobimo
x(t) = a(1minus t2) y(t) = at(1minus t2) (3)
To sta parametrični enačbi krivulje K Ko spreminjamo t po vseh realnih
vrednostih oziroma ko A drsi po premici x = a točka T (xy) opiše krivuljo
K (slika 13) z zanko ki spominja na perlo
Če si mislimo da je parameter t čas enačbi (3) predstavljata sestav-
ljeno gibanje točkaste mase v dveh med seboj pravokotnih smereh v koor-
dinatni ravnini v smeri osi x po pravilu prve enačbe v smeri osi y pa po
pravilu druge enačbe Tirnica takega gibanja je krivulja K Podoben le da
bolj preprost primer imamo tudi pri gibanju točkaste mase pri poševnem
metu
Slika 13 De Slusova perla K
Ko se t spreminja od zelo velikih negativnih vrednosti potuje T po
loku v drugem kvadrantu navzdol in doseže za t = minus1 prvič točko O Za
minus1 le t le 0 opiše lok v četrtem kvadrantu odO do temenaD(a0) za 0 le t le 1
opiše lok v prvem kvadrantu od D do točke O ki jo doseže drugič za t = 1
za t gt 1 pa se spusti po loku v tretjem kvadrantu navzdol
26
Če upoštevamo (3) dobimo
x2(t)(aminusx(t)) = a2(1minus t2)2 sdotat2 = a(at(1minus t2))2 = ay2(t)
To pomeni da je ay2 = x2(aminusx) implicitna enačba krivulje K in da je K al-
gebrska krivulja tretje stopnje Krivulja K je simetrična glede na os x Za
točke ki so zelo blizu koordinatnemu izhodiščuO je člen x3 zanemarljivo
majhen v primerjavi s kvadratnima členoma zato je tam enačba krivulje
K približno ay2 = ax2 oziroma (y minusx)(y +x) = 0 Ta enačba razpade na dve
y = x in y = minusx V točki O ima krivulja tangenti y = x in y = minusx ki se sekata
pravokotno V točki D je tangenta na krivuljo premica x = a Krivulja ima
na zanki dve glede na os x simetrično ležeči lokalno ekstremni točki v ka-
terih je tangenta vzporedna z osjo x To sta točki Mplusmn(2a3plusmn2aradic
39) De
Sluse jih je na svojevrsten način pravilno izračunal čeprav je bilo v nje-
govem času računanje z odvodi še v zametkih Da bi pravilnost ekstrem-
nih točk preverili brez odvoda uporabimo kvadrat ekstremne ordinate ki
je y2M = 4a227 in zapišimo izraz
ay2M minusx2(aminusx) = 4a327minusax2 +x3 = (xminus2a3)2(x+a3)
ki je za 0 lt x lt a nenegativen in enak 0 za x = 2a3 To pomeni da je
tedaj x2(a minus x) le 4a327 in največja ordinata na zanki krivulje je 2aradic
39
najmanjša pa minus2aradic
39 oboje pri x = 2a3 (slika 14)
Z uporabo odvoda gre vse veliko hitreje Ordinata y doseže ekstrem
takrat kot ay2 Zato je vseeno če poiščemo ekstrem enostavnejše funkcije
g(x) = x2(a minus x) = ax2 minus x3 Potreben pogoj za to je g prime(x) = 2ax minus 3x2 = 0
Dobimo stacionarni točki x1 = 0 in x2 = 2a3 Uporabimo še g primeprime(x) = 2aminus6x
Ker je g primeprime(x1) = 2a gt 0 in g primeprime(x2) = minus2a lt 0 ima funkcija g v točki x1 lokalni
minimum ki je enak 0 v točki x2 pa lokalni maksimum ki je enak 4a327
27
Slika 14 Lokalna ekstrema na de Slusovi perli K
Ekstremna točka na zanki kjer je tangenta vzporedna z osjo x je očitno
le v x2 kvadrat ekstremne ordinate je tedaj g(x2)a = 4a227 = 12a281
Ekstremni ordinati sta torej plusmn2aradic
39 pri abscisi 2a3
Abscise 2a3 ni težko geometrijsko konstruirati prav tako tudi ne or-
dinate 2aradic
39 ki je 29 razdalje ∣PminusP+∣ = aradic
3 kjer sta Pminus in P+ presečišči
krožnih lokov s središčema v točkahO inD in polmerom ∣OD ∣ To pomeni
da sta točki Pminus in P+ konstruktibilni
Če bi načrtali celotna krajša krožna loka med Pminus in P+ bi dobili med
njima lečast lik ki so mu nekoč rekli rdquovesica piscisrdquo kar dobesedno pomeni
rdquoribji mehurrdquo Lik je bil zelo znan v srednjeveški sakralni umetnosti
Čeprav v de Slusovem času še niso poznali odvoda funkcije v današn-
jem smislu so že vedeli zahvaljujoč Fermatu da ima funkcija v točki
lokalnega ekstrema vodoravno tangento
28
Spremljajoča parabola
Nastajanje krivulje K spremljajo še nekatere druge bolj ali manj znane
krivulje Najprej si oglejmo kaj dobimo če točko O pravokotno projici-
ramo na premice r in spreminjamo parameter t Dobljena projekcija naj
bo R (slika 15)
V prispevku se pogosto sklicujemo na povezavo med smernima koe-
ficientoma premice in pravokotnice nanjo Koeficienta sta si inverzna in
nasprotna Zato zlahka napišemo enačbo premice r in pravokotnice skozi
O nanjo
y = t(xminusaminusat2) y = minusxt
Njuno presečišče R ima koordinati
x(t) = at2 y(t) = minusat
Z izločitvijo parametra t dobimo y2 = ax kar pomeni da točke R pri spre-
minjanju točkeA po premici x = a opišejo parabolo rdquospremljajočo parabolordquo
ki ima gorišče v točki F(a40) in vodnico v z enačbo x = minusa4
Slika 15 De Slusova perla K in spremljajoča parabola
29
Ogrinjače
Ko drsi točka A po premici x = a premice s ogrinjajo neko krivuljo Ks
Premice s so v točki T krivulje K pravokotne na premice skozi O in T
Njeno enačbo dobimo po standardnem postopku Enačba premic s je
F(xyt) = y +xminusat
+at3 = 0
To je enoparametrična družina premic ki ogrinjajo krivuljo Ks imeno-
vano rdquoogrinjačardquo te družine (slika 16) V vsaki točki ogrinjače se jo dotika
ena premica v različnih točkah različne premice družine Enačbo njihove
ogrinjače v implicitni obliki dobimo tako da iz sistema enačb
Slika 16 De Slusova perla K in ogrinjače Ks Kq Kr
F(xyt) = 0partFpartt
(xyt) = 0
izločimo parameter t Iz enačbe
partFpartt
(xyt) = minus(xminusa)t2 +3at2 = 0
30
dobimo najprej xminusa = 3at4 kar vstavimo v prvo enačbo v sistemu in imamo
y = minus4at3 Dobili smo ogrinjačo v parametrični obliki
x(t) = a(1+3t4) y(t) = minus4at3
Izločimo t in enačba iskane ogrinjače Ks v implicitni obliki je pred nami
27y4 = 256a(xminusa)3
Ker je y dobljene krivulje sorazmeren s potenco (x minus a)34 lahko rečemo
da je ogrinjača premic s četrtkubična parabola
Podobno poiščemo ogrinjačo Kq premic q
F(xyt) = yt +xminusaminusat2 = 0partFpartt
(xyt) = y minus2at = 0
Ogrinjača v parametrični obliki je to pot
x(t) = a(1minus t2) y(t) = 2at
Z izločitvijo parametra t dobimo njeno enačbo v implicitni obliki
y2 = minus4a(xminusa)
Dobljena krivulja Kq je parabola z vodnico x = 2a in goriščem v točki O
(slika 16)
Nazadnje po enakem postopku kot doslej poiščemo še ogrinjačo Kr
premic r
F(xyt) = y minus tx+at +at3 = 0partFpartt
(xyt) = minusx+a+3at2 = 0
Ogrinjača v parametrični obliki je potem
x(t) = a(1+3t2) y(t) = 2at3
31
Z izločitvijo parametra t dobimo njeno enačbo še v implicitni obliki
27ay2 = 4(xminusa)3
Dobljena krivulja Kr je polkubična ali Neilova parabola z ostjo v točki
D(a0) kjer ima vodoravno tangento (slika 16) Krivuljo Ks smo up-
ravičeno imenovali četrtkubična parabola Slednja ima v točki D(a0)
navpično tangento
Edinole premice p od tistih ki sodelujejo v konstrukciji točk krivulje
K nimajo ogrinjače Vse premice p namreč potekajo skozi koordinatno
izhodišče O in očitno ne ogrinjajo nobene krivulje
Nožiščne krivulje
Novo krivuljoHprime dobimo če na tangente dane krivuljeH pravokotno pro-
jiciramo izbrano točko Φ Vse projekcije P nožišča točke Φ na tangentah
krivuljeH sestavljajo krivuljoHprime ki jo imenujemo rdquonožiščnardquo ali rdquopedalna
krivuljardquo krivulje H glede na točko Φ
Beseda rdquopedalenrdquo izhaja iz latinske rdquopedalisrdquo kar pomeni rdquonoženrdquo Os-
novna beseda je rdquopesrdquo v rodilniku ednine rdquopedisrdquo kar pomeni rdquonogardquo Od
tod izvirajo tudi besede rdquopedalordquo rdquopedalarrdquo in rdquopedalinrdquo
Poiščimo nekaj nožiščnih krivulj glede na koordinatno izhodišče O
Najprej za krivuljo K ki je poseben primer de Slusove perle Za odvod
v točki T isinK ki ustreza parametru t dobimo
dy
dx(x) =
y
x(t) =
3t2 minus12t
Enačbi tangente v T in pravokotnice skozi O nanjo pa se glasita
y minusat(1minus t2) =3t2 minus1
2t(xminusa(1minus t2)) y =
2t1minus3t2
x
32
Sekata se v točki P s koordinatama
x(t) =a(t2 minus1)2(1minus3t2)
9t4 minus2t2 +1 y(t) =
2at(t2 minus1)2
9t4 minus2t2 +1 (4)
S tem smo našli parametrični enačbi krivulje Kprime (slika 17) Do implicitne
enačbe je dolga pot prek rezultante dveh polinomov spremenljivke t od
katerih je prvi druge drugi pa pete stopnje Najprej opazimo da je v (4)
yx = 2t(1minus 3t2) kar lahko zapišemo kot p(t) = 3yt2 + 2xt minus y = 0 drugo
enačbo pa zapišemo v obliki q(t) = 2at5 minus 9yt4 minus 4at3 + 2yt2 + 2at minus y = 0
Zaradi enostavnosti smo pisali x in y brez argumenta t Da izločimo pa-
rameter t je treba zapisati rdquorezultantordquo R(p(t)q(t)) polinomov p(t) in
q(t) in jo izenačiti z 0 (glej [14])
R(p(t)q(t)) =
RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR
2a minus9y minus4a 2y 2a minusy 0
0 2a minus9y minus4a 2y 2a minusy
3y 2x minusy 0 0 0 0
0 3y 2x minusy 0 0 0
0 0 3y 2x minusy 0 0
0 0 0 3y 2x minusy 0
0 0 0 0 3y 2x minusy
RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR
= 0
Zadnji stolpec je deljiv z y Ker y = 0 ni del iskane nožiščne krivulje pre-
ostane ko izračunamo determinanto in jo okrajšamo z y in preuredimo
27y2(x2 +y2)2 +4ax(x2 minus9y2)(x2 +y2)minus4a2(x2 minusy2)2 = 0
Rezultat je torej algebrska krivulja šeste stopnje Krivulja je simetrična
glede na abscisno os točka O pa je njena posebna točka Za zelo majhne
x in y prevlada zadnji člen kar pomeni da sta premici y = x in y = minusx v O
tangenti na krivuljo
33
Slika 17 Nožiščna krivulja Kprime krivulje K glede na koordinatno izhodišče
Zanka krivulje Kprime nekoliko spominja na srčnico ali kardioido ki jo
opisujejo točke krožnice ki se brez drsenja kotali po enako veliki krožnici
Krivulja Kprime ima še neomejeni del ki se razteza po drugem in tretjem kvad-
rantu Poglejmo kako potuje točka po krivulji v parametrizaciji (4) ko
parameter t teče po številski premici Za t lt minus1 poteka krivulja po tretjem
kvadrantu pri čemer x(t)rarr minusinfin in y(t)rarr minusinfin ko t rarr minusinfin Pri t = minus1 točka
doseže O v obliki osti ki ima za tangento premico y = x Za minus1 lt t lt 0
potuje točka po četrtem kvadrantu doseže točko D pri t = 0 za 0 lt t lt 1
potuje naprej po prvem kvadrantu in pri t = 1 spet doseže O kjer ima
ost s tangento y = minusx nato nadaljuje pot po drugem kvadrantu pri čemer
x(t)rarr minusinfin in y(t)rarrinfin ko trarrinfin
Nožiščna krivulja malo prej obravnavane krivulje Ks glede na točko O
ni nič drugega kot krivulja K Premice s so namreč tangente na Ks nožišča
točke O na njej pa so točke krivulje K Lahko pa to preverimo z računom
34
tako kot smo poiskali nožiščno krivuljo Kprime za K glede na točko O
Za odvod v poljubni točki na Ks ki ustreza parametru t dobimo
dy
dx(x) =
y
x(t) = minus
1t
Enačbi tangente v tej točki in pravokotnice skozi O nanjo pa se glasita
y +4at3 = minus1t(xminusa(1+3t4)) y = tx
Sekata se v točki s koordinatama
x(t) = a(1minus t2) y(t) = at(1minus t2)
To sta ravno parametrični enačbi krivulje K tako da velja Kprimes =K
Podobno ugotovimo tudi da je premica x = a nožiščna krivulja za para-
bolo Kq Premica x = a je tangenta te parabole v temenu V splošnem je
temenska tangenta parabole kar njena nožiščna krivulja glede na gorišče
Ugotovili smo torej da je nožiščna krivulja krivulje Kr spremljajoča para-
bola krivulje K
Ekstremne točke nožiščne krivulje Kprime
Ekstremne točke na zanki krivulje Kprime dobimo iz odvodov
x(t) =2at(1minus t2)(3t2 +1)(9t4 +2t2 minus3)
(9t4 minus2t2 +1)2
y(t) =2a(t2 minus1)(3t2 +1)(3t4 +6t2 minus1)
(9t4 minus2t2 +1)2
Za t = 0 doseže v točki D(a0) abscisa svojo največjo vrednost Za t = plusmn1
poteka krivulja skozi točko O kjer sama sebe preseka pod pravim kotom
ker je yprime(0) = (yx)(plusmn1) = ∓1
35
Najmanjšo absciso na zanki ima krivulja Kprime v točki ki jo določa para-
meter t za katerega velja pogoj 9t4 +2t2 minus3 = 0 To je bikvadratna enačba
katere realni rešitvi sta tplusmn = plusmnradic
2radic
7minus13 ustrezni točki na krivulji pa
izračunamo z enačbama (4) in dobimo
Xplusmn(a(17minus7radic
7)27plusmnaradic
74radic
7minus17227)
Ekstremni ordinati na zanki ima krivulja takrat za tisto vrednost para-
metra t za katerega velja pogoj 3t4 + 6t2 minus 1 = 0 Realni rešitvi te bi-
kvadratne enačbe sta tplusmn = plusmn(3radic
2minusradic
6) 4radic
36 ustrezni točki na krivulji pa
Yplusmn(a(3minusradic
3)3plusmna 4radic123)
Ker v koordinatah ekstremnih točk nastopajo poleg osnovnih aritmetičnih
operacij le kvadratni in bikvadratni (četrti) koreni so te točke konstruk-
tibilne
Cisoida
Spoznali smo enega od načinov pridobivanja novih ravninskih krivulj iz
danih to je z nožišči izbrane točke na tangentah dane krivulje Krivulji
s tem priredimo nožiščno krivuljo glede na izbrano točko Drug tak pre-
prost način kako iz znanih krivulj dobimo nove je cisoidni način Kako
pa ta poteka
Denimo da sta znani krivulji K1 in K2 ter točka O ki ležijo v isti
ravnini Pri tem sta K1 in K2 taki krivulji da vsaka premica p skozi O
ki seka K1 v neki točki T1 seka tudi K2 recimo v točki T2 (slika 18) Za
vsak T1 označimo na p točko T tako da veljaETHOT =
ETHETHT1T2 Ko T1 potuje po
K1 T opiše krivuljo C ki jo imenujemo cisoida krivulj K1 in K2 glede na
točko O Definicije take cisoide se nekoliko razlikujejo od vira do vira
36
Slika 18 Krivulja C je cisoida krivulj K1 in K2 glede na točko O
Dioklova cisoida s katero rešimo problem podvojitve kocke je cisoida
krožnice x2 + y2 = ax in premice x = a glede na koordinatno izhodišče O
Več o cisoidah in njihovi uporabi je napisanega na primer v [8]
Krivulja K je povezana tudi s polkubično ali semikubno ali Neilovo
parabolo poimenovano po Williamu Neilu (1637ndash1680) Parametrični
enačbi (3) lahko zapišemo v vektorski obliki v standardni bazi kot razliko
kolinearnih vektorjev
r(t) = (x(t)y(t)) =ETHOT = (a(1minus t2)at(1minus t2)) = (aat)minus (at2at3)
Vektor r1(t) = (aat) = (a0)+at(01) je enačba premice x = a v parametrični
obliki vektor r2(t) = (at2at3) pa polkubične parabole ki ima enačbo ay2 =
x3 in ost v točkiO Parameter t geometrijsko pomeni tangens naklonskega
kota premice OA (slika 13)
Premica y = tx poteka skozi koordinatno izhodišče O in seka premico
x = a v točkiA(aat) zato jeETHOA = r1 Ista premica seka polkubično parabolo
P ki ima enačbo ay2 = x3 v točki P (at2at3) tako da jeETHOP = r2 S tem je
ETHPA =
ETHOAminus
ETHOP = r1minus r2 = r To pomeni da je r =
ETHOT =
ETHOAminus
ETHOP Potemtakem
je krivulja K cisoida polkubične parabole P z enačbo ay2 = x3 in premice
37
Slika 19 De Slusova perla K kot cisoidna krivulja
x = a glede na točko O (slika 19)
Neilova parabola in ločna dolžina
Neilova ali polkubična parabola ay2 = x3 je bila v zgodovini matematike
pomembna kot ena prvih krivulj za katero so znali izračunati ločno dolžino
Prav prvi je to znal John Wallis (1616ndash1703) leta 1657
Denimo da nas zanima ločna dolžina `(b) te krivulje nad intervalom
[0b] (slika 20) Znano je da lahko uporabimo formulo za ločno dolžino
krivulje ki je dana v eksplicitni obliki
`(b) = intb
0
radic
1+yprime2dx
Pri tem je y = f (x) enačba krivulje in yprime = f prime(x) V našem primeru je y =
38
Slika 20 Neilova ali polkubična parabola
f (x) = plusmnradicx3a Kratek račun nam da yprime2 = 9x(4a) in
`(b) = intb
0
radic
1+9x4adx
Z uvedbo nove integracijske spremenljivke u z relacijo u2 = 1 + 9x(4a)
dobimo
`(b) =8a9 int
c
1u2du =
8a27
(c3 minus1)
pri čemer je c =radic
1+9b(4a)
Leibnizeva izohrona je krivulja po kateri se je leta 1687 vprašal G W
Leibniz Poiskati je treba v navpični ravnini krivuljo po kateri se brez
trenja giblje točkasta masa ki je podvržena konstantnemu težnostnemu
polju tako da je navpična komponenta njene hitrosti ves čas konstantna
Nalogo je prvi rešil C Huygens nizozemski astronom fizik in matema-
tik znan tudi po odkritju Saturnovega satelita Titana in znamenitih Sat-
urnovih obročev ter po izdelavi prve ure na nihalo kar je bilo za tiste čase
velik napredek v merjenju točnega časa
39
Slika 21 Leibnizeva izohrona
Izhodišče O postavimo v najvišjo točko krivulje (slika 21) V tej točki
je horizontalna hitrost premikajoče se mase m enaka 0 Naj bo v0 njegova
navpična hitrost navzdol Os y je vodoravna os x pa usmerjena navz-
dol Potencialno energijo mase računamo nad izbranim nivojem spodaj V
skladu z načelom ohranitve mehanske energije v času t in času 0 potem
velja12mv2(t)+mg(hminusx(t)) =
12mv2
0 +mgh
Pri tem je g težni pospešek Po poenostavitvi dobimo v2(t) = 2gx(t)+ v20
Vektor hitrosti ima v vsakem trenutku med seboj pravokotni komponenti
v(t) = (x(t) y(t)) za t = 0 pa v(0) = (v00) Upoštevamo da je ∣v(t)∣2 =
v2(t) = x2(t) + y2(t) in da je x(t) = v0 pa imamo sistem diferencialnih
enačb
x(t) = v0 y(t) =radic
2gx(t)
ki ga rešimo pri začetnih pogojih x(0) = y(0) = 0 in dobimo
x(t) = v0t y(t) =23
radic2gv0t3
40
Koordinati točk na dobljeni krivulji zadoščajo enačbi
ay2 = x3 a =9v2
0
8g
Pri dani konstanti a je v0 = (23)radic
2ag Iskana krivulja je torej Neilova
parabola Ime izohrona je dobila zato ker točkasta masa po vertikali
v enakih časih prepotuje enake razdalje V grščini beseda ἴσος pomeni
rdquoenakrdquo χρόνος pa rdquočasrdquo
Dolžina ` zanke krivulje K nas pripelje do zapletenega eliptičnega in-
tegrala za katerega zapišimo približno vrednost
` = 2aint1
0
radic9t4 minus2t2 +1dt ≐ 271559186a
Pač pa je dolžina loka ` četrtkubične parabole Ks ogrinjače premic s bolj
prijazna Za dolžino loka od točke D ki ustreza parametru t = 0 do točke
ki ustreza parametru t = α dobimo
` = 12aintα
0t2
radic1+ t2dt =
3a2
(α(1+2α2)radic
1+α2 minus ln(α +radic
1+α2))
Prav tako dolžina loka ` navadne parabole Kq ogrinjače premic q ne
dela težav Za dolžino loka od točke D ki ustreza parametru t = 0 do
točke ki ustreza parametru t = α dobimo
` = 2aintα
0
radic1+ t2dt = a(α
radic1+α2 + ln(α +
radic1+α2))
Za spremljajočo parabolo dobimo prav tako enostaven rezultat za ločno
dolžino od točke O do točke ki ustreza parametru t = α
` = intα
0
radic1+4t2dt =
a4(2α
radic1+4α2 + ln(2α +
radic1+4α2))
Nazadnje zapišimo še ločno dolžino polkubične parabole Kr
` = 6aintα
0tradic
1+ t2dt = 2a((1+α2)radic
1+α2 minus1)
41
Pri vseh zgornjih primerih je parameter t strmina premice p v prvotni
konstrukciji krivulje K
Ploščine in prostornine
Ploščina S lika ki ga omejuje zanka krivulje K je
S =2radica int
a
0xradicaminusxdx
Z uvedbo nove integracijske spremenljivke t z relacijo aminusx = t2 je
S =4radica int
radica
0t2(aminus t2)dt =
4radica int
radica
0(at2 minus t4)dt =
8a2
15
Lahko pa jo izrazimo tudi s splošno formulo ki smo jo izpeljali na začetku
razdelka S to formulo lahko izrazimo še prostornino V telesa ki ga pri
rotaciji okoli osi x opiše lik
V =πa int
a
0x2(aminusx)dx =
πa3
12
To je ravno polovica prostornine krogle s premerom a
Pač pa je izraz za ploščino S prime lika ki ga omejuje zanka krivulje Kprime bolj
zapleten izraz Uporabimo parametrični enačbi (4) in dobimo
S prime = int1
0(x(t)y(t)minus x(t)y(t))dt = 2a2
int
1
0
(1minus t2)3(1+2t2 minus3t4)(9t4 minus2t2 +1)2 dt
Če se zanesemo na računalniško računanje določenih integralov potem je
S prime =2a2
729(3(43πminus28)+52
radic2ln(1+
radic2))
kar je približno S prime ≐ 1059206796a2 Do enakega rezultata pridemo z
navidez enostavnejšo formulo
S prime = 2inta
0y(x)dx
42
toda drugim težjim integralom
S prime = 2int0
1y(t)x(t)dt = minus8a2
int
1
0
t2(1minus t2)3(3t2 +1)(9t4 +2t2 minus3)(9t4 minus2t2 +1)3 dt
Zakaj smo integrirali po parametru t od 1 do 0 Zato ker abscisa x narašča
od 0 do a ko t pada od 1 do 0 Ordinata y pa je pri tem nenegativna (glej
izraza (4))
Tudi izraz za prostornino V prime telesa ki ga pri rotaciji okoli osi x opiše
lik omejen s Kprime je navidez enostaven
V prime =πinta
0y2(x)dx
toda s parametrom t je zapleten a eksaktno izračunljiv
V prime =πint0
1y2(t)x(t)dt = 8πint
1
0
t3(t2 minus1)5(3t2 +1))(9t4 +2t2 minus3)(9t4 minus2t2 +1)4 dt
Za rezultat dobimo
V prime =2πa3
19683(431π
radic2+369+744ln2)
kar je približno V prime ≐ 08936800975a3
Naj bo s tem računanja integralov dovolj V nadaljevanju se bomo
posvetili nekaterim lažjim problemom
Tangenta
Pri krivuljah v koordinatnem sistemu Oxy so pomembni štirje dotikalni
elementi za posamezne točke T odsek na tangenti ∣TA∣ odsek na normali
∣T B∣ subtangenta ∣AT prime∣ in subnormala ∣BT prime∣ (slika 23) Izražajo se takole
∣TA∣ = ∣y
yprime
radic
1+yprime2∣ ∣T B∣ = ∣yradic
1+yprime2∣ ∣T primeA∣ = ∣y
yprime∣ ∣T primeB∣ = ∣yyprime∣
43
Slika 22 Ploščini likov omejenih z zankama krivulj K in Kprime
Pri tem pomeni yprime = f prime(x) če je enačba krivulje y = f (x) Točka T prime je pra-
vokotna projekcija točke T na abscisno os A je presečišče tangente na
krivuljo v točki T z osjo x B pa presečišče normale z osjo x Dotikalni
elementi so posebej definirani tudi za krivulje v polarnih koordinatah
Slika 23 Dotikalni elementi krivulje
De Sluse je za algebrsko krivuljo f (xy) = 0 po svoje našel izraz za sub-
tangento ts to je pravokotno projekcijo odseka na tangenti
44
na os x V današnji pisavi se subtangenta izraža v obliki
ts = minusy
partfparty (xy)
partfpartx (xy)
Za krivuljo K je f (xy) = ay2 minusx2(aminusx) = 0 in
ts =2x(xminusa)3xminus2a
Lotimo se še konstrukcije tangente t in normale n naK v točki T0(x0y0) ne
O ki enolično določa točko A(aay0x0) kot presečišče premice p skozi O
in T0 s premico x = a Skozi A povlecimo vzporednico nprime z normalo n na K
v točki T0 Normala ima smerni koeficient kn = tsy0 oziroma
kn =
partfparty (x0y0)
partfpartx (x0y0)
=2ay0
x0(3x0 minus2a)
Premica nprime ima enačbo
y minusay0
x0=
2ay0
x0(3x0 minus2a)(xminusx0)
in preseka abscisno os v točki T1(x10) za katero po krajšem računu do-
bimo x1 = 2a minus 3x02 Točko T1 in premico nprime zlahka geometrijsko kon-
struiramo Iskana tangenta t v točki T0 je pravokotna na nprime normala n pa
vzporedna z nprime (slika 24)
Inverzija krivulje K na krožnici
Po navadi za ravninske krivulje pogledamo še njihove inverzne slike na
krožnici Inverzija ali zrcaljenje na krožnici x2 + y2 = r2 je ravninska pres-
likava ι definirana s predpisom
ι ∶ (xy)↦ (r2x
x2 +y2 r2y
x2 +y2)
45
Slika 24 Tangenta in normala na krivuljo K
S spreminjanjem polmera r krožnice dobimo med seboj podobne krivulje
Če zrcalimo na krožnici x2 + y2 = a2 krivuljo K ki ima implicitno enačbo
(2) dobimo krivuljo Klowast ki ima enačbo
y4 = minusx3(aminusx)
ki je formalno oblike (2) zam = 4n = 3p = 1 in k = minus1 Dobljena krivuljaKlowast
je simetrična glede na os x ima dve veji abscisa na njej doseže ekstremni
vrednosti v točkah O(00) in D(a0) Ima pa kot bomo videli tudi dve
asimptoti y = xminusa4 in y = minusx+a4 (slika 25)
Krivuljo Klowast se da lepo parametrizirati s parametrom τ če v njeno
enačbo y4 = minusx3(aminusx) vstavimo y = τx Dobimo
x(τ) =a
1minusτ4 y(τ) =aτ
1minusτ4
To sta parametrični enačbi krivulje Klowast
Ko τ uarr minus1 x(τ)rarr minusinfin in y(τ)rarr +infin ko τ darr minus1 x(τ)rarr +infin in y(τ)rarr minusinfin
ko τ uarr +1 x(τ)rarr +infin in y(τ)rarr +infin ko τ darr +1 x(τ)rarr minusinfin in y(τ)rarr minusinfin
46
Slika 25 Inverzna slika Klowast krivulje K
Konstanti k in n poševne asimptote y = kx + n krivulje Klowast dobimo s
formulama
k = limxrarrplusmninfin
y
x n = lim
xrarrplusmninfin(y minus kx)
V našem primeru je
k = limxrarrplusmninfin
y
x= limτrarrplusmn1
τ = plusmn1 n = a limτrarrplusmn1
τ ∓11minusτ4 = ∓
a4
Poševni asimptoti sta torej premici y = plusmn(xminusa4)
Obnašanje krivulje v okolici točke D utemeljimo če zapišemo impli-
citno obliko krivulje nekoliko drugače
y4 = (xminusa)x3 = (xminusa)(a+(xminusa))3 = a3(xminusa)+3a2(xminusa)2+3a(xminusa)3+(xminusa)4
47
Slika 26 Krivulja Klowast in približka v okolici točk O in D
Za x ki je zelo blizu a prevlada na desni prvi člen tako da je y4 asymp a3(xminusa)
Razlika xminusa se torej obnaša približno tako kot bikvadrat ordinate y
V okolici točke O kjer so abscise negativne iz istega razloga velja y4 asymp
minusax3 zato se tam krivulja obnaša približno tako kot četrtkubična parabola
(slika 26)
Inverzija krivulje Kprime na krožnici
Na krožnici x2 + y2 = a2 zrcalimo še krivuljo Kprime nožiščno krivuljo krivulje
K glede na točko O Dobimo dvodelno krivuljo Kprimelowast kakršno vidimo na
sliki 27
Enačba nove krivulje v implicitni obliki je
4(x2 minusy2)2 minus4ax(x2 minus9y2)minus27a2y2 = 0
48
Slika 27 Inverzna slika Kprimelowast krivulje Kprime
Krivulja je algebrska četrte stopnje je simetrična glede na os x ima ost
z vodoravno tangento v točki O skozi točko D pa poteka v blagem loku
Natančneje ugotovimo približni potek krivulje v okolici teh dveh točk če
v zgornji enačbi obdržimo prevladujoče člene V okolici točke O kjer so
abscise negativne je ay2 asymp minus4x327 torej približno tako kot polkubična
parabola V okolici točke D(a0) je y2 asymp minus4a(x minus a) kar pomeni da se
krivulja obnaša približno tako kot parabola
Pritisnjeni krožnici na K
Pritisnjeni krožnici v točki O na krivuljo K sta inverzni sliki asimptot
krivulje Klowast na krožnici x2 + y2 = a2 Preprost račun pokaže da se asimp-
toti krivulje Klowast z inverzijo ι preslikata v krožnici x2 + y2 plusmn4ay minus4ax = 0 ki
imata središči v točkah Splusmn(2aplusmn2a) in polmer 2aradic
2 Sekata se pavokotno
v točkah O in M(4a0) Inverzija ι namreč ohranja kote (slika 28)
49
Slika 28 Pritisnjeni krožnici na krivuljo K v točki O
Ukrivljenost κ(t) krivulje K v točki ki ustreza parametru t brez težav
izračunamo iz njenih parametričnih enačb (3)
κ(t) =2(3t2 +1)
a(1minus2t2 +9t4)32
V posebnem primeru je v točki O to se pravi za t = plusmn1 ukrivljenost enaka
κ(plusmn1) = 1(2aradic
2) zato sta v O polmera pritisnjenih krožnic 1κ(plusmn1) =
2aradic
2 kar se seveda ujema z rezultatom dobljenim z inverzijo na krožnici
Toksoida
Videli smo da je inverzna slika krivulje K krivulja Klowast ki ima enačbo y4 =
minusx3(aminusx) ki je formalno oblike (2) zam = 4n = 3p = 1 in k = minus1 Prav tako
je krivulja ay2 = minusx2(aminus x) ki jo dobimo iz enačbe ay2 = x2(aminus x) krivulje
K če zamenjamo aminus x z x minus a formalno oblike (2) za m = 2n = 2p = 1 in
50
k = minus1a Krivuljo označimo jo s T ki ima enačbo
ay2 = x2(xminusa)
je nemški amaterski matematik samouk in izumitelj Diedrich (tudi Diede-
rich) Uhlhorn (1764ndash1837) imenoval rdquotoksoidardquo V svojem delu [13] obrav-
nava več krivulj in za nekatere tudi opiše mehanske naprave s katerimi
se jih da risati pa tudi njihovo uporabo pri reševanje enačb Beseda rdquotok-
soidardquo izvira iz dveh grških τόξον kar pomeni rdquolokrdquo (kot orožje) pa tudi
rdquopuščicardquo in εἶδος kar med drugim pomeni rdquooblika podobardquo D Uhlhorn
je imenoval krivuljo v nemščini rdquoBogenlinierdquo ker nemški samostalnik rdquoBo-
genrdquo pomeni prav tako rdquolokrdquo Iz besede τόξον smo dobili tudi besede ki
so povezane s strupi kajti bojne puščice so bile često zastrupljene
Slika 29 Toksoida
Toksoida ima tudi izolirano točkoO(00) saj njeni koordinati zadoščata
implicitni enačbi
Iz implicitne enačbe toksoide dobimo z zamenjavo y = tx njeni parametri-
čni enačbi
x(t) = a(1+ t2) y(t) = at(1+ t2) (5)
ki pa ne vključujeta izolirane točke O
51
Toksoida je algebrska krivulja tretje stopnje simetrična glede na os x
ki jo preseka za t = 0 v točki D(a0) kjer ima navpično tangento Krivulja
na prvi pogled ni nič posebnega a že D Uhlhorn je pokazal kako se kon-
struira njene posamezne točke in kako se z njo podvoji kocko
Slika 30 Konstrukcija točk toksoide
Do točke T na toksoidi pridemo takole V koordinatnem sistemu Oxy
za pozitiven a določimo točko D(a0) in skoznjo konstruiramo pravokot-
nico na os x torej premico x = a (slika 30) Na tej premici izberemo točko
A ki jo bomo spreminjali da bomo dobili krivuljo Skozi O in A nato
načrtamo premico p v A pa nanjo pravokotnico q ki seka abscisno os v
točki B V B postavimo na abscisno os pravokotnico r ki preseka premico
p v točki T Ko A potuje po premici x = a točka T opiše toksoido T brez
izolirane točke O
Da res dobimo toksoido T je treba samo zapisati enačbi y = tx premice
p in y = minus(x minus a)t + at premice q ter točki A(aat) in B(a(1 + t2)0) ter
T (a(1+t2)at(1+t2)) Koordinati točke T pa res dasta paramatrični enačbi
52
toksoide
Slika 31 Konstrukcija srednjih geometrijskih sorazmernic s toksoido
Iz podobnih trikotnikov ODA OAB in OBT na sliki 30 sledi relacija
∣OD ∣
∣OA∣=∣OA∣
∣OB∣=
∣OB∣∣OT ∣
kar pomeni da sta ∣OA∣ in ∣OB∣ srednji geometrijski sorazmernici daljic
∣OD ∣ = a in ∣OT ∣ = b Zato lahko izrazimo ∣OA∣ =3radica2b in ∣OB∣ =
3radicab2 na isti
način kot pri (3)
Če imamo že načrtano toksoido T potem srednji geometrijski sorazmer-
nici za a in b gt a dobimo tako da poiščemo presečišče T krožnice s sredi-
ščem v O skozi točko C(b0) in na zgoraj opisan način poiščemo premice
pq in r ter točki A in B (slika 31) Za b = 2a na ta način rešimo problem
podvojitve kocke ∣OA∣ = a 3radic
2
Ukrivljenost κ(t) toksoide T v točki ki ustreza parametru t brez težav
53
izračunamo iz njenih parametričnih enačb (5)
κ(t) =2(3t2 minus1)
a(1+10t2 +9t4)32
Opazimo da ukrivljenost menja predznak pri t = plusmn1radic
3 kar nam da točki
Pplusmn(4a3plusmn4aradic
39) v katerih ima T prevoja s tangentama s smernima koe-
ficientoma plusmnradic
3 Tangenti oklepata z osjo x kota plusmnπ3 Pritisnjena krožnica
v točki D ki ustreza t = 0 ima za polmer 1∣κ(0)∣ = a2 in središče v točki
S(3a20) (slika 32)
Slika 32 Prevoja toksoide T in pritisnjena krožnica v točki D
Prevoja sta konstruktibilna pri čemer si lahko pomagamo z vesico pis-
cis nad daljico OD Njeni točki Vplusmn sta narazen za aradic
3 premici skozi O
in Vplusmn pa določata smeri tangent v prevojih Prav tako je konstruktibilna
točka S V okolici točk D in Pplusmn je ujemanje toksoide s pritisnjeno krožnico
v D in tangentama v prevojih Pplusmn zelo dobro
54
Enačba toksoide T v polarnih koordinatah in ϕ je
(ϕ) =a
cos3ϕ
kar sledi iz njene implicitne oblike
a(x2 +y2) = x3
Pri tem je treba le upoštevati zvezi x2 +y2 = 2 in x = cosϕ
Polarna oblika je zelo primerna za študij inverzije na krožnici s središčem
v točki O in polmerom R Če je namreč lowast polarni polmer invertirane
krivulje mora veljati relacija
(ϕ)lowast(ϕ) =R2
Če izberemo R = a dobimo za inverzno sliko toksoide T krivuljo (slika 33)
T lowast ki ima nasledno enačbo v polarnih koordinatah
lowast(ϕ) = acos3ϕ
Slika 33 Inverzna slika T lowast toksoide T
55
Iz polarne oblike krivulje T lowast hitro izpeljemo še njeno implicitno enačbo
(x2 +y2)2 = ax3
Torej je T lowast algebrska krivulja četrte stopnje
Ploščino S lika ki ga ograjuje krivulja T lowast izračunamo po znani for-
muli
S = 2 sdot12 int
π2
0lowast2(ϕ)dϕ = a2
int
π2
0cos6ϕdϕ = a2 sdot
56
sdotπ2=
5πa2
32
Krivulja T lowast je simetrična glede na os x v točkah O in D ima navpični
tangenti največji odklon od osi x pa doseže v točkah Yplusmn(9a16plusmn3aradic
316)
kjer ima vodoravni tangenti in sicer pri polarnih kotih plusmnπ6
De Slusove pomnoževalke hiperkock
Podvojitev kocke je kot vemo klasični grški geometrijski problem ki se ga
ne da rešiti evklidsko to je samo z neoznačenim ravnilom in šestilom kar
so dokazali šele v 19 stoletju Problem zahteva določiti rob kocke ki ima
prostornino enako dvakratniku prostornine dane kocke To pomeni da
je treba za dano daljico a konstruirati tako daljico b za katero je b = a 3radic
2
Problem podvojitve kocke so Grki znali rešiti na več načinov Eden od njih
je možen s posebno ravninsko krivuljo z Dioklovo cisoido (več na primer
v [7])
Povsem smiselno se je vprašati kako bi pomnožili s faktorjem s gt 0
poljubno r-razsežno hiperkocko z robom a Njena prostornina je ar zato
je b = a rradics rob hiperkocke katere prostornina je s-kratnik prostornine
hiperkocke z robom a Dva primera sta trivialna Za r = 1 imamo daljico
56
njena rdquoprostorninardquo je kar njena dolžina a za r = 2 pa kvadrat čigar rdquopros-
torninardquo je kar njegova ploščina a2 Za r = 3 imamo opraviti z običajno
kocko z običajno prostornino a3 V prvih dveh primerih množenje s fak-
torjem s ni problematično saj s problemom lahko geometrijsko rešimo s
podobnimi trikotniki in z višinskim izrekom v pravokotnem trikotniku
Za r ge 4 si r-razsežno hiperkocko teže predstavljamo ker je ne moremo
realizirati z običajno geometrijo To pa ni ovira pri pomnožitvi take hiper-
kocke s številom s ker moramo znati samo njen rob a geometrijsko pom-
nožiti s številom rradics kar pa lahko naredimo v običajni ravnini V mate-
matični analizi je r-razsežna hiperkocka z robom a na primer kar r-kratni
kartezični produkt intervala [minusa2a2] s samim seboj to je množica
[minusa2a2]r = (x1x2 xr) isinRr ∶ ∣x1∣ le a2 ∣x2∣ le a2 ∣xr ∣ le a2
Oglejmo si de Slusove perle (2) z eksponenti mn =mminus 1 in p = 1 fak-
torjem k = 1 ter a gt 0 pri čemer je m sodo število to se pravi krivulje z
implicitno enačbo
ym = xmminus1(aminusx) (6)
oziroma xm + ym = axmminus1 Pri danem m označimo ustrezno krivuljo s Hm
Med njimi je tudi stara znanka x2 + y2 = ax krožnica s polmerom a2
in središčem v točki S(a20) Skupne vsem krivuljam so točke O(00)
Cplusmn(a2plusmna2) D(a0) ter navpični tangenti v O in D Krivulje Hm so za-
ključene in simetrične glede na os x in se dajo lepo parametrizirati z y = tx
Za vsako dobimo parametrično enačbo
x(t) =a
1+ tm y(t) =
at1+ tm
(7)
Najbolj se taka krivulja oddalji od abscisne osi za t = 1 mradicmminus1 v točkah
Yplusmn(a(mminus1)mplusmnam mradic
(mminus1)mminus1) Za t = 0 dobimo točko D za ∣t∣rarrinfin pa
57
se krivulja bliža točki O Slika 34 kaže nekaj primerov
Slika 34 Nekaj krivulj Hm
Naj bo s poljubno pozitivno število in A(0as) točka na osi y Premica
skozi A in D preseka krivuljo Hm v točkah D(a0) in B(x0y0) za katero
potrebujemo samo razmerje y0x0 Na sliki 35 je izbran eksponent m = 4
Premica skozi A in D ima enačbo xa+sya = 1 iz katere izrazimo aminusx = sy
in vstavimo v enačbo (6) Dobimo ym = ysxmminus1 Ker iščemo točko B s
pozitivno ordinato lahko z y krajšamo in dobimo y0x0 =mminus1radics
Premica skozi O in B ima enačbo y = y0xx0 in preseka premico x = a
v točki C(aay0x0) oziroma C(aa mminus1radics) Zato je ∣DC∣ = ∣OD ∣ mminus1
radics) V
primeru m = 4 in s = 2 je ∣DC∣ = ∣OD ∣3radic
2) kar pomeni da se nam je pos-
rečilo podvojiti trirazsežno kocko Za s = 3 kocko potrojimo za s = 4
početverimo itd Še več zam = 6 in s = 2 podvojimo 5-razsežno hiperkocko
58
za s = 3 jo potrojimo za s = 4 početverimo itd
Slika 35 Krivulja H4 in pomnožitev roba trirazsežne kocke
Lihih m nam ni treba posebej obravnavati ker krivulje Hm ne bi bile
prave de Slusove perle Poleg tega bi tedaj bil mminus 1 sodo število denimo
m minus 1 = 2αq z naravnim α in lihim q Korenjenje se potem da izvesti z
α-kratnim kvadratnim korenjenjem in enim q-tim korenjenjem s krivuljo
Hq+1 kakor smo zgoraj opisali
Drug način za pomnožitev hiperkock poteka s cisoidami Cm krivuljHm
in premice x = a Pri parametru t premica y = tx preseka premico x = a
v točki C(aat) točka B pa ima tedaj koordinati dani z parametričnima
enačbama (7) S koordinatami točk B in C imamo takoj
ETHBC = (aminus
a1+ tm
at minusat
1+ tm) = (
atm
1+ tmatm+1
1+ tm)
59
Slika 36 Nekaj krivulj Cm
Da bo točka T na cisoidi Cm mora veljati zvezaETHOT =
ETHBC Potemtakem ima
Cm parametrični enačbi
x(t) =atm
1+ tm y(t) =
atm+1
1+ tm (8)
Ker je t = yx dobimo še implicitno enačbo krivulje Cm
xm+1 = ym(aminusx) (9)
oziroma x(xm+ym) = aym Krivulje so za sodem definirane nad intervalom
60
[0a) so simetrične glede na os x imajo za asimptoto premico x = a in
potekajo skozi koordinatno izhodišče O in točki Cplusmn(a2plusmna2) Asimptoti
se krivulja bliža ko ∣t∣ rarr infin V točki O pri t = 0 imajo ost z vodoravno
tangento Za m = 2 dobimo staro znanko Dioklovo cisoido
Slika 37 Krivulja C4 in pomnožitev roba 5-razsežne hiperkocke
Izberimo sedaj na ordinatni osi točko A(0as) pri čemer je s pozi-
tivno število in vzemimo premico skozi točki A in D (slika 37) Ta ima
enačbo xa + y(as) = 1 iz katere izrazimo a minus x = ys Premica preseka
cisoido Cm v točki M(x0y0) s pozitivno ordinato Iz enačb premice skozi
A in D in (9) dobimo y0x0 = m+1radics Premica skozi točki O in M ima
enačbo y = y0xx0 in preseka premico x = a v točki E(aa m+1radics) Torej velja
61
zveza ∣DE∣ = ∣OD ∣ m+1radics kar pomeni da smo našli rob (m + 1)-razsežne
hiperkocke ki ima za prostornino s-kratnik prostornine dane (m + 1)-
razsežne hiperkocke
Naj bo Sm ploščina lika ki ga omejuje krivulja Hm in Qm ploščina
neomejenega lika ki ga omejuje krivulja Cm z asimptoto Ni ju težko
izraziti
Pm =a2(mminus1)πm2 sin π
m Qm =
a2(m+1)πm2 sin π
m
Nadalje naj bo Vm prostornina telesa ki nastane z rotacijo krivulje Hm
okoli osi x Wm pa prostornina neomejenega telesa ki nastane z rotacijo
krivulje Cm okoli osi x Prav tako ju ni težko izraziti
Vm =2a3(mminus1)(mminus2)π2
3m3 sin 2πm
Wm =2a3(m+1)(m+2)π2
3m3 sin 2πm
Ploščine in prostornine so poleg drugega zanimale že matematike v
17 stoletju zlasti C Huygensa Izračunajmo prostornino telesa Um ki
nastane z rotacijo lika med cisoido in njeno asimptoto okoli te asimptote
(slika 38) Uporabili bomo sodobne zapise in Eulerjevi funkciji B in Γ ki
ju C Huygens še ni mogel poznati Presek nastalega telesa na višini y je
krog s polmerom aminusx in ploščino π(aminusx)2 Upoštevamo še simetrijo lika
glede na os x uporabimo parametrično obliko (8) in nastavimo integral
Um = 2πintinfin
0(aminusx(t))2y(t)dt = 2πa3
int
infin
0
tm(tm +m+1)(1+ tm)4 dt
ki ga lahko izrazimo v obliki
Um = 2πa3(I2 + (mminus1)I3 minusmI4)
pri čemer je
Ik = intinfin
0
dt
(1+ tm)k
62
ki ima za m ge 2 in k ge 1 končno vrednost S substitucijo u = 1(1 + tm)
dobimo
Ik =1m int
1
0ukminus1minus1m(1minusu)1mminus1du =
1m
B(kminus1m1m) =Γ(k minus1m)Γ(1m)
mΓ(k)
Na koncu je rezultat zelo preprost
Um =2π2a3(m2 minus1)
3m3 sin πm
Prve tri prostornine so
U2 =π2a3
4 U4 =
5radic
2π2a3
32 U6 =
35π2a3
162
Slika 38 Telo nastalo z zasukom lika med krivuljo C2 in njeno asimptoto
okoli te asimptote
Izračunajmo prostornino telesa Um ki nastane z rotacijo lika med cisoido
in njeno asimptoto okoli osi y (slika 39) Presek nastalega telesa na višini y
63
je krožni kolobar z notranjim polmerom x in zunanjim polmerom a ki ima
ploščino π(a2minusx2) Upoštevamo še simetrijo lika glede na os x uporabimo
parametrično obliko (8) in nastavimo integral
Um = 2πintinfin
0(a2 minusx2(t))y(t)dt = 2πa3
int
infin
0
tm(tm +m+1)(2tm +1)(1+ tm)4 dt
ki ga lahko izrazimo z zgoraj vpeljanimi integrali Ik v obliki
Um = 2πa3(2I1 + (2mminus3)I2 minus (3mminus1)I3 +mI4)
Na koncu dobimo za rezultat
Um =2π2a3(m+1)(2m+1)
3m3 sin πm
Prve tri prostornine so
U2 =5π2a3
4 U4 =
15radic
2π2a3
32 U6 =
91π2a3
162
V 17 stoletju so se zanimali tudi za težišča homogenih likov in teles
Lik ki ga omejuje krivulja Hm ima težišče na abscisni osi oddaljen za xT
od osi y Da bi lahko poiskali xT moramo najprej izračunati za ta lik
moment
Mm = 2inta
0xy dx = 2int
0
infinx(t)y(t)xdt = 2a3mint
infin
0
tm
(1+ tm)4 dt
Izrazimo z integrali Ik in dobimo
Mm = 2a3m(I3 minus I4) =πa3(mminus1)(2mminus1)
3m3 sin πm
Abscisa težišča lika je potem kvocient momenta Mm in ploščine Sm
xT =(2mminus1)a
3m
64
Slika 39 Telo nastalo z zasukom lika med krivuljo C2 in njeno asimptoto
okoli osi y
Lik omejen s krivuljo Cm ima težišče na abscisni osi oddaljen za xC
od osi y Da bi poiskali xC uporabimo kar PaposndashGuldinovo pravilo za
prostornino vrtenine
2πxC sdotQm = Um
kjer je Qm ploščina lika ki ga rotiramo okoli osi y Rezultat je proti vsem
pričakovanjem zelo preprost
xC =(2m+1)a
3m
Poznoantični matematik Papos iz Aleksandrije (290ndash350) v grščini Πάπ-
πος ὁ Αλεξανδρεύς v latinščini Pappus je pomemben ker je zbral prak-
tično vse dotakratno matematično znanje Grkov in dodal še marsikaj svo-
65
jega Njegovo najpomembnejše delo je rdquoZbirkardquo v grščini Συναγωγή Uk-
varjal se je tudi s klasičnimi grškimi geometrijskimi problemi
Jezuit Paul Guldin (1577ndash1643) je bil švicarski matematik in astronom
profesor matematike na Dunaju in v Gradcu Pred tem je študiral v Rimu
Skupaj s Paposom je znan
po pravilih za izračun prostornine rotacijskega telesa in površine rotacij-
ske ploskve
Slika 40 Telo nastalo z zasukom lika ki ga omejuje H4 okoli osi y
ProstorninaXm vrtenine ki nastane z rotacijo lika omejenega s krivuljo
Hm okoli osi y je po PaposndashGuldinovem pravilu za prostornino enaka
Xm = 2πxT sdot Pm = 2π(2mminus1)a
3msdota2(mminus1)πm2 sin π
m=
2π2a3(2mminus1)(mminus1)3m3 sin π
m
Slika 40 kaže vrtenino za primer krivulje H4 Podobne slike bi dobili tudi
za druge Hm
Če isti lik rotiramo okoli premice x = a tangente na krivuljo Hm v
točki D dobimo vrtenino s prostornino Ym ki jo izračunamo prav tako
66
po PaposndashGuldinovem pravilu za prostornino in dobimo
Ym = 2π(aminusxT ) sdot Pm = 2π(m+1)a
3msdota2(mminus1)πm2 sin π
m=
2π2a3(m2 minus1)3m3 sin π
m
Opazimo da je prostornina Ym enaka prostornini Um telesa ki nastane
z rotacijo lika med krivuljo Cm in njeno asimptoto okoli te asimptote
Dokler ni bil razvit infinitezimalni račun kakršnega poznamo danes
so računali ploščine težišča prostornine in površine za vsak primer pose-
bej Veliko so se v 17 stoletju pa tudi že prej znani matematiki ukvarjali
s cikloido na primer N Kuzanski M Mersenne G Galilei G P de Rober-
val C Wren G Cardano B Pascal I Newton G W Leibniz C Huygens
je neko njeno lastnost uporabil pri izdelavi ure na nihalo
Evdoksova kampila
Oglejmo si naslednjo konstrukcijo točk krivulje V točki D(a0) pri čemer
je a gt 0 postavimo pravokotnico p na abscisno os Na p izberemo točko
A ki jo bomo kasneje premikali po tej premici Skozi O in A načrtamo
premico q in skozi A krožnico s središčem v koordinatnem izhodišču O
Krožnica preseka abscisno os v točkah B in Bprime ki sta simetrični glede na
točko O V B in Bprime konstruiramo pravokotnici r in rprime na os x ki presekata
p v točkah T in T prime ki sta tudi simetrični glede na točko O Ko teče točka
A po premici p opišeta T in T prime dvodelno krivuljo ki so jo poimenovali
rdquoEvdoksova kampilardquo Točka T opiše njeno desno vejo T prime pa levo Krivulja
je očitno simetrična glede na obe koordinatni osi (slika 41)
Enačbo desne veje dobljene Evdoksove kampile je najlaže najprej izraz-
iti v polarnih koordinatah nato pa še v implicitni obliki v pravokotnih
67
Slika 41 Konstrukcija točk Evdoksove kampile
kartezičnih koordinatah Za polarni kot ϕ vzamemo naklonski kot pre-
mice q za polarni radij pa razdaljo ∣OT ∣ (slika 41) Najprej očitno veljata
zvezi ∣OA∣ = ∣OD ∣cosϕ = acosϕ in = ∣OT ∣ = ∣OB∣cosϕ = ∣OA∣cosϕ iz
katerih dobimo = acos2ϕ tako da je nazadnje pri pogoju minusπ2 ltϕ ltπ2
polarna enačba desne veje Evdoksove kampile
(ϕ) =a
cos2ϕ (10)
Obe veji krivulje imata implicitno obliko
a2(x2 +y2) = x4 (11)
ki jo dobimo iz polarne oblike z upoštevanjem zvez 2 = x2 + y2 in cosϕ =
x Krivulja v obliki (11) ima izolirano točko O(00) ki je posledica del-
jenja z ki je lahko tudi enak 0 Evdoksova kampila je algebrska krivulja
četrte stopnje
Z Evdoksovo kampilo se da podvojiti kocko Načrtamo krožnico s
središčem v točkiD in polmerom a Njena enačba je x2+y2 = 2ax Vstavimo
68
Slika 42 Podvojitev kocke z Evdoksovo kampilo
2ax namesto x2 + y2 v (11) in dobimo enačbo x4 minus2a3x = x(x3 minus2a3) = 0 ki
ima realni rešitvi x0 = 0 in x1 = a 3radic
2 V prvem kvadrantu se krožnica in
Evdoksova kampila sekata v točki T (a 3radic
2aradic
2 3radic
2minus 3radic
4) kar pomeni da
ima točka T absciso
∣T0T ∣ = b = a 3radic2
Kocka z robom b ima prostornino b3 = 2a3 torej dvakratnik prostornine
kocke z robom a
Grška beseda καμπύλος pomeni rdquokriv zavit upognjenrdquo v ženski ob-
liki καμπύλη beseda γραμμή pa rdquočrta potezardquo Polno ime krivulje je v
grščini καμπύλη γραμμή torej rdquokriva črtardquo na kratko so jo poimenovali kar
rdquokampilardquo kateri so dodali še Evdoksovo ime Evdoks iz Knida (408ndash355
pnš) Εὔδοξος ὁ Κνίδιος je bil starogrški matematik in astronom Bil je
Arhitov učenec v Tarentu grško Τάρας in Platonov na Akademiji v Ate-
nah Obiskal je tudi Sicilijo in Egipt Kasneje je ustanovil svojo šolo v
Kiziku grško Κύζικος ob Mramornem morju ali Propontidi grško Προ-
ποντίς Pomemben je njegov doprinos v teoriji razmerij in nesoizmerljivih
količin kar je uporabil Evklid Εὐκλείδης v svojih Elementih Στοιχεῖα
69
Grška beseda εὔδοξος pomeni med drugim rdquosloveč slaven ugledenrdquo
V astronomiji je Evdoks zagovarjal geocentrični svetovni sistem in za
pojasnitev gibanja planetov in Lune uvedel sistem koncentričnih sfer ki
se vrtijo ena v drugi S tem v zvezi je uvedel še eno krivuljo ki jo poznamo
pod imenom rdquoEvdoksova hipopedardquo
Problem podvojitve kocke je na svojevrsten način s torusom valjem
in stožcem rešil pitagorejec in vojaški poveljnik Arhitas iz Tarenta v južni
Italiji grško Αρχύτας ὁ Ταραντίνος rojen med letoma 435 in 410 umrl
pa med letoma 360 in 350 pnš Morda je Evdoks Arhitovo prostorsko
rešitev problema podvojitve kocke poenostavil na reševanje v ravnini in
tako prišel do svoje kampile Dokazano to ni nikjer ve se le da mu je
rešitev uspelo najti z neko krivuljo Način reševanja pa je podoben reše-
vanju z Uhlhornovo toksoido ki ima tudi podobno enačbo v polarni obliki
(ϕ) = acos3ϕ
Tako Uhlhornova toksoida kot Evdoksova kampila spadata v skupino
Clairautovih krivulj = acosnϕ ali = asinnϕ Če je n racionalno število
je Clairautova krivulja algebrska Alexis Claude Clairaut (1713ndash1765) je
bil francoski matematik in astronom
Evdoksovo kampilo brez izolirane toke O parametriziramo kar s po-
larnim kotom
x(ϕ) =a
cosϕ y(ϕ) =
asinϕcos2ϕ
Njena ukrivljenost κ(ϕ) se izraža v obliki
κ(ϕ) =cos3ϕ(3sin2ϕ minus1)
a(3sin2ϕ +1)32
Ukrivljenost spremeni predznak pri kotu ϕ za katerega je 3sin2ϕ minus1 = 0
V takih točkah ima krivulja prevoje Evdoksova kampila ima štiri in sicer
70
Slika 43 Desna veja Evdoksove kampile prevoja in pritisnjena krožnica
v točkah (plusmnaradic
62plusmnaradic
32) Strmini tangent v teh točkah sta plusmn2radic
2 Os x
presekata za desno vejo v točki G(3aradic
680) Krivinski polmer v točkah
D inDprime je enak a Središče pritisnjene krožnice v točkiD je v točki S(2a0)
Približno ujemanje krivulje tangent v prevojih Pplusmn in pritisnjene krožnice v
temenu D kaže slika 43 Ujemanje bi lahko izkoristili za približno podvo-
jitev kocke Če namesto Evdoksove kampile vzamemo kar njeno tangento
y = 2radic
2(xminusaradic
62)+aradic
32
v prevoju v prvem kvadrantu in poiščemo absciso ξ presečišča s krožnico
x2 +y2 = 2ax dobimo
ξa=
118
radic
24radic
6minus23+
radic6
3+
19≐ 1259956951
namesto točnejše vrednosti
3radic
2a
≐ 1259921049
71
Če bi podoben račun naredili za Uhlhornovo toksoido ki se v prevojih
tudi približno ujema s tangentama bi dobili slabši rezultat
Zgoraj opisani približek lahko izkoristimo za precej natančno evklid-
sko konstrukcijo roba b podvojene kocke z robom a V koordinatnem sis-
temu Oxy narišemo krožnico s polmerom a s središčem v točki D(a0)
skozi O pa konstruiramo premico p z naklonskim koeficientom k = 2radic
2
Na abscisni osi konstruiramo točkoG(3aradic
680) in skoznjo premico q vz-
poredno s p Presečišče te premice s krožnico je točka T njena pravokotna
projekcija na os y pa točka T0 Razdalja b = ∣T0T ∣ je dober približek za
a 3radic
2 (slika 44) Pri tem izkoristimo izraza za diagonalo kvadrata in višino
enakostraničnega trikotnika v katerih nastopataradic
2 inradic
3 s kombinacijo
obeh pa šeradic
6 Podrobnosti so izpuščene z malo truda lahko konstrukcije
izvede vsak sam
Slika 44 Približna podvojitev kocke
Zrcalno sliko Evdoksove kampile (11) na krožnici x2 + y2 = a2 takoj
dobimo iz polarne oblike njene desne veje lowast(ϕ) = acos2ϕ Z zapisom v
pravokotnih kartezičnih koordinatah dobimo implicitno obliko za celotno
prezrcaljeno krivuljo
(x2 +y2)3 = a2x4
72
Krivulja je algebrska šeste stopnje Simetrična je glede na obe koordinatni
osi Njeni največji odkloni od osi x so pri polarnih kotih ϕ za katere je
3sin2ϕ = 1 to je v točkah (plusmn2aradic
69plusmn2aradic
39) kjer ima krivulja vodo-
ravni dvojni tangenti
Slika 45 Zrcaljenje Evdoksove kampile na krožnici
Nova krivulja spada med Clairautove Ploščina P obeh delov jajčastih
oblik je
P = 4 sdota2
2 intπ2
0cos4ϕdϕ = 2a2 sdot
34
sdotπ2=
3πa2
8
Problem podvojitve kocke grško διπλασιασμός τοῦ κύβου ali deloški
problem poimenovan po grškem otoku Delosu v Egejskem morju je reše-
valo več grških geometrov ki so celo skušali izdelati v ta namen posebno
orodje Platon je pograjal Evdoksove Arhitove in Menajhmove učence
češ da njihovi napori kvarijo kar je dobrega v geometriji Nastal je celo
epigram (puščica zbadljivka) v zvezi s podvojitvijo kocke ki je zapisan v
Evtokijevih komentarjih k Arhimedovi razpravi rdquoO krogli in valjurdquo grško
Περὶ σφαίρας καὶ κυλίνδρου Matematik in neoplatonist Evtokij iz Aškalona
v Palestini Εὐτόκιος ὁ Ασκαλονίτης je bil poznoantični matematik rojen
73
okoli leta 480 umrl pa je okoli leta 520 O njem se ve bore malo Nekaj
časa je deloval v Atenah nazadnje pa v Aleksandriji Napisal je tudi ko-
mentarje k Apolonijevi razpravi rdquoStožnicerdquo v grščini Κωνικά Na stožnice
se je v srednjem kar nekoliko pozabilo zanimanje zanje je spet oživelo
šele v času Keplerja in Newtona ko je bil potreben opis gibanja planetov
v heliocentričnem svetovnem sistemu
Navedimo omenjeni epigram v grščini in v prevodu S Weiss (vzeto iz
obsežnega knjižnega dela v treh delih [3])
Μηδὲ σύ γrsquo Αρχύτεω δυσμήχανα ἔργα κυλίνδρων
μηδὲ Μεναιχμείους κωνοτομεῖν τριάδας
διζήσηι μηδrsquo εἴ τι θεουδέος Εὐδόξοιο
καμπύλον ἐν γραμμαῖς εἶδος ἀναγράφεται
Težkih Arhitovih del s cilindri nikar ne posnemaj
stožnic Menajhmovih treh nikdar izsekal ne boš
niti ne boš spoznal če božanskega črte Evdoksa
res zarišejo lik tak iz zavitih kampil
Videli smo kaj vse se da povedati o neki krivulji če obvladamo in-
finitezimalni račun Seveda nam je to sedaj ko imamo na voljo najnovejše
pripomočke in obsežno ter dostopno matematično literaturo veliko laže
kot je bilo matematikom v 17 stoletju ko so v marsičem še orali ledino
Pomembni znanstveniki rojeni v 17 stoletju
Navedimo nekaj pomembnih znanstvenikov predvsem matematikov fizi-
kov in astronomov ki so se rodili v 17 stoletju Razvrščeni so po letnicah
74
rojstva Veliko podatkov dobimo v [1 5] in na svetovnem spletu
Gilles Personne de Roberval (1602ndash1675)
Pierre de Fermat (1607ndash1665)
Giovanni Alfonso Borelli (1608ndash1679)
Evangelista Torricelli (1608ndash1647)
John Pell (1610ndash1685)
Johann Hevel (1611ndash1687)
Frans van Schooten (1615ndash1660)
Carlo Renaldini (1615ndash1698)
John Wallis (1616ndash1703)
Henry Oldenburg (1618ndash1677)
Michelangelo Ricci (1619ndash1682)
William Brouncker (1620ndash1684)
Edmeacute Mariotte (1620ndash1684)
Jean Picard (1620ndash1682)
Vincenzo Viviani (1622ndash1703)
Reneacute-Franccedilois de Sluse (1622-1685)
Blaise Pascal (1623ndash1662)
Giovanni Domenico Cassini (1625ndash1712)
Robert Boyle (1627ndash1691)
Christiaan Huygens (1629ndash1695)
Isaac Barrow (1630ndash1677)
Ehrenfried Walther von Tschirnhaus (1631ndash1708)
Christopher Wren (1632ndash1723)
Johann Hudde (1633ndash1704)
Robert Hooke (1635ndash1703)
75
William Neile (1637ndash1670)
James Gregory (1638ndash1675)
Philippe de la Hire (1640ndash1719)
Isaac Newton (1643ndash1727)
Olaus Roslashmer (1644ndash1710)
Gottfried Wilhelm Leibniz (1646ndash1716)
Denis Papin (1647ndash1712)
Michel Rolle (1652ndash1719)
Pierre Varignon (1654ndash1722)
Jacob Bernoulli (1655ndash1705)
Edmund Halley (1656ndash1742)
Guillaume Franccedilois Antoine LrsquoHocircpital (1661ndash1704)
David Gregory (1661ndash1708)
Abraham de Moivre (1667ndash1754)
Johann Bernoulli (1667ndash1748)
Jacopo Francesco Riccati (1676ndash1754)
Giulio Carlo Fagnano (1682ndash1766)
Roger Cotes (1682ndash1716)
Reneacute Antoine Reacuteaumur (1683ndash1757)
Greacutegoire de Saint-Vincent (1584ndash1667)
Brook Taylor (1685ndash1731)
Gabriel Daniel Fahrenheit (1686ndash1736)
Colin Maclaurin (1698ndash1746)
Pierre Louis Moreau de Mapertuis (1698ndash1759)
76
Viri
[1] I Asimov Biografska enciklopedija znanosti in tehnike Tehniška za-
ložba Slovenije Ljubljana 1978
[2] J Bair V Henry Sluse ses perles et son algorithme Losanges 14
(2011) str 14ndash18 httphdlhandlenet2268100155 (videno 10
7 2021)
[3] G Kocijančič (urednik) Fragmenti predsokratikov Študentska za-
ložba Ljubljana 2012
[4] G Loria Spezielle algebraische und transscendente ebene Kurven
Teubner Leipzig 1902
[5] U C Merzbach C B Boyer A History of Mathematics John Wiley amp
Sons Hoboken New Jersey 2011
[6] J J OrsquoConnor E F Robertson Reneacute Franccedilois Walter de Sluze MacTu-
tor
httpsmathshistoryst-andrewsacukBiographiesSluze
(videno 10 7 2021)
[7] B von Pape Von Eudoxus zu Uhlhorn Books on Demand Norderstedt
2019
[8] M Razpet Pomnožitev hiperkocke Obzornik mat fiz 68 (2021) št 1
str 1-9
[9] M Razpet in N Razpet Prepogibanje papirja podvojitev kocke in
Slusova konhoida Obzornik mat fiz 67 (2020) št 2 str 41-51
77
[10] Y Renotte Reneacute de Sluze dialogues avec Christiaan Huygens
Bulletin de lrsquouniversiteacute du 3e acircge - Liegravege 23 (2021) 4 strani
httphdlhandlenet22682596400 (videno 10 7 2021)
[11] R F Slusius Mesolabum seu duaelig mediaelig proportionales inter ex-
tremas datas per circulum et ellipsim vel hyperbolam infinitis modis
exhibitaelig Leodii Eburonum Liegravege 1659
[12] R F Slusius Mesolabum seu duaelig mediaelig proportionales inter ex-
tremas datas per circulum et per infinitas hyperbolas vel ellipses et
per quamlibet exhibitaelig ac problematum omnium solidorum effectio
per easdem curvas Leodii Eburonum Liegravege 1668
[13] D Uhlhorn Entdeckungen in der houmlhern Geometrie theoretisch und
practisch abgehandelt Schulzersquosche Buchhandlung Oldenburg 1809
[14] I Vidav Algebra Mladinska knjiga Ljubljana 1972
Avtor se zahvaljuje prof dr Milanu Hladniku za strokovni pregled
copy(2021) Marko Razpet
78
Eratostenov mesolabum
Beseda rdquomesolabumrdquo je zelo stara Izvira iz grške besede μεσολάβος (morda
tudi iz μεσολάβον) ki je v antiki pomenila posebno geometrijsko orodje
za določevanje prve in druge srednje geometrijske sorazmernice Beseda
izvira iz grške μέσος kar pomeni rdquosrednjirdquo in λαμβάνω kar pomeni rdquovza-
mem primem zgrabim pograbim popadem ulovimrdquo Glagolska os-
nova je λαβ- je tista iz katere izhajata nedoločnik λαβεῖν in aorist λάβον
Mesolabum je potemtakem tisto s čimer lovimo sredino lovilec sredin
Podobna beseda je rdquoastrolabrdquo starodavna astronomska naprava za določe-
vanje položaja zvezd v grščini ἀστρολάβον ὄργανον
V grških besedilih je glagol λαμβάνω eden od osnovnih in kot tak zelo
pomemben V taki ali drugačni obliki je zato zelo pogost Za primer
navedimo iz Odiseje (XXIV 397ndash399 prevod A Sovregrave )
ὣς ἄρ ἔφη Δολίος δv ἰθὺς κίε χεῖρε πετάσσας
ἀμφοτέρας ᾿Οδυσεῦς δὲ λαβὼν κύσε χεῖρv ἐπὶ καρπῷ
καί μιν φωνήσας ἔπεα πτερόεντα προσηύδα
To je dejal Približa se Dolios rok mu razpetih
prime gospoda v zapestju roko mu ginjen poljubi
z glasom obrne se k njemu pa reče krilate besede
V latinščini imenujejo mesolabum tudi rdquomesolabiumrdquo kar se čudno
sliši ker beseda rdquolabiumrdquo pomeni ustnica Iz besede rdquolabiumrdquo so izvedene
še druge V fonetiki imamo glasove ki jih sooblikujemo z ustnicami in se
zato imenujejo rdquolabialirdquo na primer rdquoprdquo in rdquobrdquo
12
Mesolabum je iznašel Eratosten iz Kirene (276ndash195 pnš) grško ᾿Ερα-
τοσθένης ὁ Κυρηναῖος ki je deloval v Aleksandriji kot vodja tamkajšnje
slavne knjižnice ki je bila del Muzejona hiše učenosti in umetnosti grško
Μουσεῖον τῆς Αλεξανδρείας in je najbolj znan po svojem situ za iskanje
praštevil in po izračunu velikosti Zemlje Pri mesolabumu gre za to kako
mehansko določiti prvo in drugo srednjo geometrijsko sorazmernico x in
y daljic a in b kjer je 0 lt a lt b Srednji geometrijski sorazmernici x in y
morata zadoščati relacijiax=xy=y
b (1)
Če označimo te tri kvociente z λ in jih med seboj zmnožimo dobimo
axsdotxysdoty
b=ab= λ3
To pomeni da je
λ = 3
radicab x =
3radica2b y =
3radicab2
Pri tem velja relacija a lt x lt y lt b ki je posledica relacije
a3 = a2a lt a2b = aab lt abb = ab2 lt bb2 = b3
iz katere sledi po kubičnem korenjenju a lt3radica2b lt
3radicab2 lt b Zato lahko
rečemo da sta x in y sredini daljic a in b saj sta med a in b
Za b = 2a je x = a 3radic
2 in y = a 3radic
4 To pomeni da se s tem posreči pod-
vojiti in početveriti kocko Kocka z robom x ima namreč dvakrat kocka z
robom y štirikrat večjo prostornino kot kocka z robom a in dvakrat večjo
kot kocka z robom x ker je x3 = 2a3 in y3 = 4a3 = 2x3 Prvi ki je prišel na
idejo poiskati srednji geometrijski sorazmernici x in y za a in b = 2a je bil
v 5 stoletju pnš živeči Hipokrat z otoka Hios v grščini ῾Ιπποκράτης ὁ
Χῖος Skušal je rešiti problema podvojitve kocke in kvadrature kroga
13
Eratosten je bil nad svojim izumom mesolabuma tako navdušen da je
en primerek baje daroval v nekemu templju sicer pa ga je posvetil kralju
Ptolemaju III (284ndash222 pnš) imenovanemu tudi Ptolemaj Dobrotnik
grško Πτολεμαῖος Εὐεργρέτης
Slika 4 Osnovni elementi Eratostenovega mesolabuma
Sedaj je čas da opišemo Eratostenov mesolabum Njegov je bil sicer
izdelan iz lesa slonove kosti in kovin mi pa si ga bomo ogledali she-
matično geometrijsko uporabljajoč pravokotnike trikotnike daljice pre-
mice točke razmerja in sorazmerja
V ravnini so postavljeni skladni pravokotniki A1B1C1D1 A2B2C2D2 in
A3B3C3D4 s stranicami A1B1 A2B2 in A3B3 na skupni premici na kateri
ostanejo ves čas v nadaljevanju opisanega postopka Vse stranice pra-
vokotnikov pravokotne na to premico imajo dolžino b Dolžina pre-
ostalih stranic ni pomembna Na stranici B3C3 izberemo točko T tako
da je ∣B3T ∣ = a Prvi pravokotnik je negiben preostala dva pa lahko dr-
sita po premici tako da se tretji lahko skrije pod drugega drugi pa pod
prvega S tem lahko gibljiva dva postavimo tako da dobimo daljice dolžin
14
x in y ki skupaj z a in b zadoščajo relaciji (1) Pravokotniki so razdeljeni z
med seboj vzporednimi diagonalami na pravokotne trikotnike (slika 4)
Slika 5 Premik pravokotnikov Eratostenovega mesolabuma
Ko premikamo drugi pravokotnik pod prvega njegova diagonala B2D2
prej ali slej seka stranico B1C1 negibnega pravokotnika denimo v točki
E Ko pa premikamo tretji pravokotnik pod drugega njegova diagonala
B3D3 prej ali slej seka stranico B2C2 drugega pravokotnika denimo v točki
F Cilj premikanja pravokotnikov sem in tja je doseči kolinearnost točk
D1EF in T Kot bomo kmalu videli takrat x = ∣B2F∣ in y = ∣B1E∣ ustrezata
relaciji (1)
Kolinearnost točk D1EF in T dosežemo s postopkom ki mu učeno
rečemo rdquoiteracijardquo Malo premaknemo drugi pravokotnik nato malo tret-
jega pa zopet drugega itd dokler s svojo spretnostjo ne dosežemo zado-
voljive natančnosti V natančni legi označimo u = ∣B1D1∣ v = ∣B2E∣ in
w = ∣B3F∣ Te daljice so med seboj vzporedne (slika 6) in zaradi podob-
nosti trikotnikov A1B1D1 B1B2E in B2B3F ter trikotnikov B1ED1 B2FE in
15
Slika 6 Končna lega pravokotnikov Eratostenovega mesolabuma
B3T F dobimo sorazmerja
bu=y
v=xwy
u=xv=aw
iz katerih sledijo relacije
xw = av xv = yw yv = ux bv = uy
Iz prve druge tretje in četrte dobimo po vrsti
ax=wvwv=xyxy=vuvu=y
b
Sedaj je nedvomno razvidno da je res
ax=xy=y
b
Tako lahko z Eratostenovo napravo najdemo prvo in drugo srednjo ge-
ometrijsko sorazmernico daljic a in b Podobno bi lahko našli tudi več
srednjih geometrijskih sorazmernic daljic a in b
16
So pa matematiki že davno odkrili da se da srednji geometrijski so-
razmernici najti tudi s parabolama Iz relacije (1) namreč sledita preprosti
zvezi
x2 = ay y2 = bx
V prvi spoznamo enačbo parabole ki ima za simetralo ordinatno os gorišče
v točki F(0a4) in vodnico y = minusa4 v drugi pa enačbo parabole ki ima za
simetralo absciso os gorišče v točki G(b40) in vodnico x = minusb4 (slika 7)
Slika 7 Do srednjih geometrijskih sorazmernic s parabolama
Paraboli se sekata v točkah O(00) in A(3radica2b
3radicab2) Konstrukcijo je
odkril Menajhmos grško Μέναιχμος ki je živel v 4 stoletju pnš Prvi je
vpeljal stožnice kot preseke stožca z ravnino Teorijo stožnic je temeljito
obdelal Apolonij iz Perge (265ndash170 pnš) grško Απολλώνιος ὁ Περγαῖος
Njegove knjige so matematiki uporabljali še vse do Newtonovih časov
Prav tako pridemo do srednjih geometrijskih sorazmernic če poiščemo
presečišči parabole x2 = ay z goriščem F(0a4) in vodnico y = minusa4 ter
krožnice x2 + y2 = bx + ay ki ima središče v točki S(b2a2) in premer
17
Slika 8 Do srednjih geometrijskih sorazmernic s parabolo in krožnico
d =radica2 +b2 Parabola in krožnica se sekata v točkah O in A(
3radica2b
3radicab2)
(slika 8) kar potrdi preprost račun Opisano konstrukcijo je obvladal Reneacute
Descartes Menajhmos in Descartes sta pokazala da se z njunima kon-
strukcijama da rešiti problem podvojitve kocke Za b je treba v opisanih
postopkih vzeti 2a Pripomnimo še da je bila starogrška matematika
pretežno matematika razmerij in sorazmerij in tako je bilo še celo vrsto
stoletij Srednjo geometrijsko sorazmernico x daljic dolžin a in b tako
da velja a ∶ x = x ∶ b iz česar sledi x =radicab se da konstruirati z neoz-
načenim ravnilom in šestilom Spomnimo se na višinski izrek v pravokot-
nem trikotniku ki je pravzaprav posledica podobnosti dveh trikotnikov
na katera višina na hipotenuzo razdeli pravokotni trikotnik
Pri dveh srednjih geometrijskih sorazmernicah x in y pa se kot smo
videli pojavi kubični koren ki pa z omenjenima geometrijskima orodjema
ni konstruktibilen To so matematiki dokazali šele v 19 stoletju Do takrat
so problem skušali rešiti na druge načine in pri tem odkrili nove krivulje
tako da njihov trud le ni bil popolnoma zaman Geometrijski objekt bo za
18
nas rdquokonstruktibilenrdquo če se ga da konstruirati z neoznačenim ravnilom in
šestilom
Drugo de Slusovo delo
De Sluse še vedno velja za izjemno učenega človeka nadarjenega za mate-
matiko izumiteljstvo in posploševanje Njegovo ime je še danes povezano
z njegovimi konhoidami in perlami De Slusova konhoida (slika 9) ki ima
implicitno obliko
(xminus c)(x2 +y2)minus2cx2 = 0
je precej natančno obravnavana v članku [9]
Slika 9 Slusova konhoida
Reneacute de Sluse se ni ukvarjal le z matematiko ampak tudi z astronomijo
fiziko naravoslovjem in seveda teologijo Pogosto se je pritoževal nad
omejitvami ki so mu jih nalagale njegove verske in upravne funkcije
Ni veliko eksperimentiral ker za to ni imel posebnega veselja pa tudi
ne tehničnih možnosti Je pa predlagal drugim zlasti Huygensu da naj
naredijo tak ali drugačen eksperiment Z zanimanjem je bral prepovedane
19
knjige N Kopernika G Galileja in J Keplerja ter kritiziral prizadevanja za
obnovitev starih konceptov Pisal je že o ekscentričnosti v zvezi s Soncem
Zdi se da je za svoje izračune uporabljal oba sistema heliocentričnega
in geocentričnega Rad je opazoval zvezdnato nebo Tako v kemiji kot
drugje se je znašel na razpotju Prebral je modne knjige o alkimiji in
celo ponovil poskus sublimacije antimona v belo barvo vendar je bila nje-
gova razlaga odločno korpuskularna saj je uporabljal Boylove zamisli o
strukturi tekočega in trdnega stanja V podporo temu je izvajal poskuse
zamrzovanja različnih raztopin in študiral sestavo lojevca V medicinski
kemiji se je zanimal za zdravilne vode in jih tudi analiziral
V fiziki sta ga je posebej zanimala merjenje temperature in praktična
termometrija Če ne upoštevamo odkritij E Torricellija in B Pascala o
vplivu atmosferskega tlaka na zračni termometer je de Sluse leta 1664
izumil svoj termometer z voščeno kroglico pomešano s peskom ki se je
gibala v stekleni cevi zaprti na dnu napolnjeni s slano vodo tako da je
bila kroglica bolj ali manj potopljena v sredini cevi kar je opisal v pismih
Huygensu Kroglica je označevala vsako spremembo v zraku iz toplejšega
na hladnejše ko se je spuščala ali dvigala Huygens je odgovoril da je
njegov termometer prepočasen vendar je zanesljivejši od drugih istovrst-
nih termometrov ker je manj podvržen vplivu atmosferskega tlaka Žal
ni poznal florentinskega termometra ko je svojim dopisnikom vključno s
Huygensom in Oldenburgom povedal o svojem izumu Florentinski ter-
mometri so pomenili odločilen korak naprej pri merjenju temperature
Bili so prvi ki so omogočali natančne meritve Pred iznajdbo v Firencah
okoli leta 1650 so bili stari modeli zelo približni določali so ali je pred
nami nekaj hladnega ali vročega ne da bi lahko odčitali ali ocenili tem-
peraturo Razlika je v tem da je steklena cev zaprta tako da je vpliv tlaka
20
odpravljen Uporabljali so se predvsem petdesetstopinjski termometri
Taki termometri so večinoma služili za določanje nihanja temperature zra-
ka v zaprtih prostorih in na prostem Oblikovanje termometra je takrat
pomenilo tudi določitev njegove merilne lestvice vendar še brez Celzijevih
ali Fahrenheitovih stopinj Pri tem so bile stopinje enakomerno razpore-
jene med dvema skrajnostma in sicer med nivojem najhladnejše tekočine
pozimi (nizka točka) in nivojem najbolj vroče tekočine poleti (visoka točka)
Zaradi teh zelo relativnih vrednosti je primerjava meritev med dvema ter-
mometroma nezanesljiva Ob upoštevanju pripomb jo je večkrat spreme-
nil in jo ponovno predložil Oldenburgu do leta 1669 ko je R Boyle izrazil
negativno mnenje glede topnosti voska kroglic v slani tekočini Po tem da-
tumu termometer ni bil nikoli več omenjen De Sluse je zboljšal različne
instrumente ure številčnice barometre Ker ga je motilo prerekanje med
raziskovalci glede avtorstva odkritij je po Oldenburgovi smrti leta 1677
končal svojo znanstveno dejavnost
Šele v 18 stoletju so razvijali temperaturne merilne lestvice C Re-
naldini (1694) O C Roslashmer (1702) G Fahrenheit (1717) Reneacute-Antoine
F de Reacuteaumur (1730) in A Celsius (1741) Enota kelvin (K ndash v čast lordu
Kelvinu 1824-1907) osnovna enota mednarodnega sistema enot za tem-
peraturo je bila uvedena šele leta 1954
De Sluse je bil tudi zgodovinar Napisal je knjigo o smrti sv Lam-
berta škofa v Tongresu ki je bil ubit na kraju kamor je sv Hubert njegov
naslednik prenesel sedež svoje škofije Kraj se je kasneje razvil v Liegravege
Druga zgodovinska študija se nanaša na slavnega maastrichtskega škofa
sv Servacija Med de Slusovimi neobjavljenimi rokopisi je tudi zgodovina
Koumllna Pripomnimo še da je sv Hubert zavetnik lovcev matematikov
optikov in kovinarjev
21
O širini de Sluzovih interesov priča raznolikost tem ki so zajete na
več sto straneh njegovega dela neobjavljenih rokopisov ki jih zdaj hrani
Narodna knjižnica Bibliotheque Nationale v Parizu Čeprav se je ukvarjal
predvsem z matematiko njegovi rokopisi obravnavajo tudi astronomijo
fiziko in naravoslovje
De Slusove perle
Po de Slusu so po zaslugi B Pascala (več o tem v [4]) imenovane tudi
krivulje rdquode Slusove perlerdquo to so krivulje ki se v pravokotnem kartezi-
čnem koordinatnem sistemu Oxy izražajo z enačbo
ym = kxn(aminusx)p (2)
Pri tem so eksponenti mn in p naravna števila a in k pa pozitivni kon-
stanti Glede na parnost eksponentovmn in p formalno razlikujemo osem
možnosti od katerih imamo opravka s perlami le v primeru ko je m sodo
število s pravimi perlami pa v primeru ko je m sodo število n in p pa lihi
števili (slika 10) Skupno tem krivuljam so simetričnost glede na os x in
presečišča s to osjo pri x = 0 in x = a De Sluse je po svoje brez uporabe
odvoda izračunal da njegove perle dosegajo lokalne ekstreme največji
odstop od osi x med 0 in a za x = na(n+p)
V teh primerih je ploščina S lika ki ga ograjuje zanka perle enaka
S = 2k1mint
a
0xnm(aminusx)pmdx = 2k1ma(m+n+p)mint
1
0tnm(1minus t)pmdt
Integracijsko spremenljivko x smo zamenjali z novo spremenljivko t prek
relacije x = at da smo dobili obliko ki jo lahko izrazimo z Eulerjevima
22
Slika 10 Primeri de Slusovih perl
funkcijama B in Γ
S = 2k1ma(m+n+p)mB(nm+1pm+1) =
= 2k1ma(m+n+p)mΓ(nm+1)Γ(pm+1)
Γ((n+p)m+2)=
= 2k1ma(m+n+p)mnp
(m+n+p)(n+p)
Γ(nm)Γ(pm)
Γ((n+p)m)
Pri rotaciji okoli osi x ta lik v prostoru opiše telo s prostornino
V =πk2mint
a
0x2nm(aminusx)2pmdx =πk2ma(m+2n+2p)m
int
1
0t2nm(1minust)2pmdt
23
Slika 11 Zasuk de Slusove perle za m = 2n = 3p = 1k = 001 okoli osi x
Integracijsko spremenljivko x smo tudi to pot zamenjali z novo spremenljivko
t prek relacije x = at da smo dobili obliko ki jo lahko izrazimo z Eulerje-
vima funkcijama B in Γ
V =πk2ma(m+2n+2p)mB(2nm+12pm+1) =
=πk2ma(m+2n+2p)mΓ(2nm+1)Γ(2pm+1)Γ((2n+2p)m+2)
=
= 2πk2ma(m+2n+2p)m np
(m+2n+2p)(n+p)Γ(2nm)Γ(2pm)
Γ((2n+2p)m)
Poseben primer de Slusove perle
Natančneje bomo obravnavali de Slusovo perlo samo primer za m = n = 2
p = 1 in k = 1a to se pravi krivuljo K ki ima implicitno enačbo ay2 =
x2(a minus x) To pa zato ker se posamezne točke te krivulje da preprosto
konstruirati z osnovnim geometrijskim orodjem
24
Geometrijska konstrukcija in analitična obravnava
Do posameznih točk T krivulje K pridemo s preprosto geometrijsko kon-
strukcijo (slika 12) V pravokotnem kartezičnem koordinatnem sistemu
Oxy načrtamo premico x = a kjer je a pozitivna konstanta Skozi koordi-
natno izhodišče O potegnemo premico p ki ima enačbo y = tx in preseka
premico x = a v točki A(ata) Parameter t smerni koeficient premice p s
katerim je sorazmerna ordinata točkeA bomo kasneje spreminjali V točki
A na p postavimo pravokotnico q ki seka os x v točki B V B načrtamo na
q pravokotnico r ki seka premico x = a v točki C nazadnje pa skozi C še
pravokotnico s na r Presečišče premic p in s naj bo točka T (xy) Sedaj
bomo izrazili njeni koordinati x in y s parametrom t
Slika 12 Konstrukcija točke T de Slusove perle K
Premica q ima enačbo y = minus(x minus a)t + at in preseka os x v točki B(a +
at20) Premica r ima enačbo y = t(x minus aminus at2) in preseka premico x = a v
točki C(aminusat3) premica s pa enačbo y = minus(xminus a)t minus at3 Koordinati točke
T sta rešitvi sistema enačb
y = tx y = minusxminusat
minusat3
25
Po krajšem računu dobimo
x(t) = a(1minus t2) y(t) = at(1minus t2) (3)
To sta parametrični enačbi krivulje K Ko spreminjamo t po vseh realnih
vrednostih oziroma ko A drsi po premici x = a točka T (xy) opiše krivuljo
K (slika 13) z zanko ki spominja na perlo
Če si mislimo da je parameter t čas enačbi (3) predstavljata sestav-
ljeno gibanje točkaste mase v dveh med seboj pravokotnih smereh v koor-
dinatni ravnini v smeri osi x po pravilu prve enačbe v smeri osi y pa po
pravilu druge enačbe Tirnica takega gibanja je krivulja K Podoben le da
bolj preprost primer imamo tudi pri gibanju točkaste mase pri poševnem
metu
Slika 13 De Slusova perla K
Ko se t spreminja od zelo velikih negativnih vrednosti potuje T po
loku v drugem kvadrantu navzdol in doseže za t = minus1 prvič točko O Za
minus1 le t le 0 opiše lok v četrtem kvadrantu odO do temenaD(a0) za 0 le t le 1
opiše lok v prvem kvadrantu od D do točke O ki jo doseže drugič za t = 1
za t gt 1 pa se spusti po loku v tretjem kvadrantu navzdol
26
Če upoštevamo (3) dobimo
x2(t)(aminusx(t)) = a2(1minus t2)2 sdotat2 = a(at(1minus t2))2 = ay2(t)
To pomeni da je ay2 = x2(aminusx) implicitna enačba krivulje K in da je K al-
gebrska krivulja tretje stopnje Krivulja K je simetrična glede na os x Za
točke ki so zelo blizu koordinatnemu izhodiščuO je člen x3 zanemarljivo
majhen v primerjavi s kvadratnima členoma zato je tam enačba krivulje
K približno ay2 = ax2 oziroma (y minusx)(y +x) = 0 Ta enačba razpade na dve
y = x in y = minusx V točki O ima krivulja tangenti y = x in y = minusx ki se sekata
pravokotno V točki D je tangenta na krivuljo premica x = a Krivulja ima
na zanki dve glede na os x simetrično ležeči lokalno ekstremni točki v ka-
terih je tangenta vzporedna z osjo x To sta točki Mplusmn(2a3plusmn2aradic
39) De
Sluse jih je na svojevrsten način pravilno izračunal čeprav je bilo v nje-
govem času računanje z odvodi še v zametkih Da bi pravilnost ekstrem-
nih točk preverili brez odvoda uporabimo kvadrat ekstremne ordinate ki
je y2M = 4a227 in zapišimo izraz
ay2M minusx2(aminusx) = 4a327minusax2 +x3 = (xminus2a3)2(x+a3)
ki je za 0 lt x lt a nenegativen in enak 0 za x = 2a3 To pomeni da je
tedaj x2(a minus x) le 4a327 in največja ordinata na zanki krivulje je 2aradic
39
najmanjša pa minus2aradic
39 oboje pri x = 2a3 (slika 14)
Z uporabo odvoda gre vse veliko hitreje Ordinata y doseže ekstrem
takrat kot ay2 Zato je vseeno če poiščemo ekstrem enostavnejše funkcije
g(x) = x2(a minus x) = ax2 minus x3 Potreben pogoj za to je g prime(x) = 2ax minus 3x2 = 0
Dobimo stacionarni točki x1 = 0 in x2 = 2a3 Uporabimo še g primeprime(x) = 2aminus6x
Ker je g primeprime(x1) = 2a gt 0 in g primeprime(x2) = minus2a lt 0 ima funkcija g v točki x1 lokalni
minimum ki je enak 0 v točki x2 pa lokalni maksimum ki je enak 4a327
27
Slika 14 Lokalna ekstrema na de Slusovi perli K
Ekstremna točka na zanki kjer je tangenta vzporedna z osjo x je očitno
le v x2 kvadrat ekstremne ordinate je tedaj g(x2)a = 4a227 = 12a281
Ekstremni ordinati sta torej plusmn2aradic
39 pri abscisi 2a3
Abscise 2a3 ni težko geometrijsko konstruirati prav tako tudi ne or-
dinate 2aradic
39 ki je 29 razdalje ∣PminusP+∣ = aradic
3 kjer sta Pminus in P+ presečišči
krožnih lokov s središčema v točkahO inD in polmerom ∣OD ∣ To pomeni
da sta točki Pminus in P+ konstruktibilni
Če bi načrtali celotna krajša krožna loka med Pminus in P+ bi dobili med
njima lečast lik ki so mu nekoč rekli rdquovesica piscisrdquo kar dobesedno pomeni
rdquoribji mehurrdquo Lik je bil zelo znan v srednjeveški sakralni umetnosti
Čeprav v de Slusovem času še niso poznali odvoda funkcije v današn-
jem smislu so že vedeli zahvaljujoč Fermatu da ima funkcija v točki
lokalnega ekstrema vodoravno tangento
28
Spremljajoča parabola
Nastajanje krivulje K spremljajo še nekatere druge bolj ali manj znane
krivulje Najprej si oglejmo kaj dobimo če točko O pravokotno projici-
ramo na premice r in spreminjamo parameter t Dobljena projekcija naj
bo R (slika 15)
V prispevku se pogosto sklicujemo na povezavo med smernima koe-
ficientoma premice in pravokotnice nanjo Koeficienta sta si inverzna in
nasprotna Zato zlahka napišemo enačbo premice r in pravokotnice skozi
O nanjo
y = t(xminusaminusat2) y = minusxt
Njuno presečišče R ima koordinati
x(t) = at2 y(t) = minusat
Z izločitvijo parametra t dobimo y2 = ax kar pomeni da točke R pri spre-
minjanju točkeA po premici x = a opišejo parabolo rdquospremljajočo parabolordquo
ki ima gorišče v točki F(a40) in vodnico v z enačbo x = minusa4
Slika 15 De Slusova perla K in spremljajoča parabola
29
Ogrinjače
Ko drsi točka A po premici x = a premice s ogrinjajo neko krivuljo Ks
Premice s so v točki T krivulje K pravokotne na premice skozi O in T
Njeno enačbo dobimo po standardnem postopku Enačba premic s je
F(xyt) = y +xminusat
+at3 = 0
To je enoparametrična družina premic ki ogrinjajo krivuljo Ks imeno-
vano rdquoogrinjačardquo te družine (slika 16) V vsaki točki ogrinjače se jo dotika
ena premica v različnih točkah različne premice družine Enačbo njihove
ogrinjače v implicitni obliki dobimo tako da iz sistema enačb
Slika 16 De Slusova perla K in ogrinjače Ks Kq Kr
F(xyt) = 0partFpartt
(xyt) = 0
izločimo parameter t Iz enačbe
partFpartt
(xyt) = minus(xminusa)t2 +3at2 = 0
30
dobimo najprej xminusa = 3at4 kar vstavimo v prvo enačbo v sistemu in imamo
y = minus4at3 Dobili smo ogrinjačo v parametrični obliki
x(t) = a(1+3t4) y(t) = minus4at3
Izločimo t in enačba iskane ogrinjače Ks v implicitni obliki je pred nami
27y4 = 256a(xminusa)3
Ker je y dobljene krivulje sorazmeren s potenco (x minus a)34 lahko rečemo
da je ogrinjača premic s četrtkubična parabola
Podobno poiščemo ogrinjačo Kq premic q
F(xyt) = yt +xminusaminusat2 = 0partFpartt
(xyt) = y minus2at = 0
Ogrinjača v parametrični obliki je to pot
x(t) = a(1minus t2) y(t) = 2at
Z izločitvijo parametra t dobimo njeno enačbo v implicitni obliki
y2 = minus4a(xminusa)
Dobljena krivulja Kq je parabola z vodnico x = 2a in goriščem v točki O
(slika 16)
Nazadnje po enakem postopku kot doslej poiščemo še ogrinjačo Kr
premic r
F(xyt) = y minus tx+at +at3 = 0partFpartt
(xyt) = minusx+a+3at2 = 0
Ogrinjača v parametrični obliki je potem
x(t) = a(1+3t2) y(t) = 2at3
31
Z izločitvijo parametra t dobimo njeno enačbo še v implicitni obliki
27ay2 = 4(xminusa)3
Dobljena krivulja Kr je polkubična ali Neilova parabola z ostjo v točki
D(a0) kjer ima vodoravno tangento (slika 16) Krivuljo Ks smo up-
ravičeno imenovali četrtkubična parabola Slednja ima v točki D(a0)
navpično tangento
Edinole premice p od tistih ki sodelujejo v konstrukciji točk krivulje
K nimajo ogrinjače Vse premice p namreč potekajo skozi koordinatno
izhodišče O in očitno ne ogrinjajo nobene krivulje
Nožiščne krivulje
Novo krivuljoHprime dobimo če na tangente dane krivuljeH pravokotno pro-
jiciramo izbrano točko Φ Vse projekcije P nožišča točke Φ na tangentah
krivuljeH sestavljajo krivuljoHprime ki jo imenujemo rdquonožiščnardquo ali rdquopedalna
krivuljardquo krivulje H glede na točko Φ
Beseda rdquopedalenrdquo izhaja iz latinske rdquopedalisrdquo kar pomeni rdquonoženrdquo Os-
novna beseda je rdquopesrdquo v rodilniku ednine rdquopedisrdquo kar pomeni rdquonogardquo Od
tod izvirajo tudi besede rdquopedalordquo rdquopedalarrdquo in rdquopedalinrdquo
Poiščimo nekaj nožiščnih krivulj glede na koordinatno izhodišče O
Najprej za krivuljo K ki je poseben primer de Slusove perle Za odvod
v točki T isinK ki ustreza parametru t dobimo
dy
dx(x) =
y
x(t) =
3t2 minus12t
Enačbi tangente v T in pravokotnice skozi O nanjo pa se glasita
y minusat(1minus t2) =3t2 minus1
2t(xminusa(1minus t2)) y =
2t1minus3t2
x
32
Sekata se v točki P s koordinatama
x(t) =a(t2 minus1)2(1minus3t2)
9t4 minus2t2 +1 y(t) =
2at(t2 minus1)2
9t4 minus2t2 +1 (4)
S tem smo našli parametrični enačbi krivulje Kprime (slika 17) Do implicitne
enačbe je dolga pot prek rezultante dveh polinomov spremenljivke t od
katerih je prvi druge drugi pa pete stopnje Najprej opazimo da je v (4)
yx = 2t(1minus 3t2) kar lahko zapišemo kot p(t) = 3yt2 + 2xt minus y = 0 drugo
enačbo pa zapišemo v obliki q(t) = 2at5 minus 9yt4 minus 4at3 + 2yt2 + 2at minus y = 0
Zaradi enostavnosti smo pisali x in y brez argumenta t Da izločimo pa-
rameter t je treba zapisati rdquorezultantordquo R(p(t)q(t)) polinomov p(t) in
q(t) in jo izenačiti z 0 (glej [14])
R(p(t)q(t)) =
RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR
2a minus9y minus4a 2y 2a minusy 0
0 2a minus9y minus4a 2y 2a minusy
3y 2x minusy 0 0 0 0
0 3y 2x minusy 0 0 0
0 0 3y 2x minusy 0 0
0 0 0 3y 2x minusy 0
0 0 0 0 3y 2x minusy
RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR
= 0
Zadnji stolpec je deljiv z y Ker y = 0 ni del iskane nožiščne krivulje pre-
ostane ko izračunamo determinanto in jo okrajšamo z y in preuredimo
27y2(x2 +y2)2 +4ax(x2 minus9y2)(x2 +y2)minus4a2(x2 minusy2)2 = 0
Rezultat je torej algebrska krivulja šeste stopnje Krivulja je simetrična
glede na abscisno os točka O pa je njena posebna točka Za zelo majhne
x in y prevlada zadnji člen kar pomeni da sta premici y = x in y = minusx v O
tangenti na krivuljo
33
Slika 17 Nožiščna krivulja Kprime krivulje K glede na koordinatno izhodišče
Zanka krivulje Kprime nekoliko spominja na srčnico ali kardioido ki jo
opisujejo točke krožnice ki se brez drsenja kotali po enako veliki krožnici
Krivulja Kprime ima še neomejeni del ki se razteza po drugem in tretjem kvad-
rantu Poglejmo kako potuje točka po krivulji v parametrizaciji (4) ko
parameter t teče po številski premici Za t lt minus1 poteka krivulja po tretjem
kvadrantu pri čemer x(t)rarr minusinfin in y(t)rarr minusinfin ko t rarr minusinfin Pri t = minus1 točka
doseže O v obliki osti ki ima za tangento premico y = x Za minus1 lt t lt 0
potuje točka po četrtem kvadrantu doseže točko D pri t = 0 za 0 lt t lt 1
potuje naprej po prvem kvadrantu in pri t = 1 spet doseže O kjer ima
ost s tangento y = minusx nato nadaljuje pot po drugem kvadrantu pri čemer
x(t)rarr minusinfin in y(t)rarrinfin ko trarrinfin
Nožiščna krivulja malo prej obravnavane krivulje Ks glede na točko O
ni nič drugega kot krivulja K Premice s so namreč tangente na Ks nožišča
točke O na njej pa so točke krivulje K Lahko pa to preverimo z računom
34
tako kot smo poiskali nožiščno krivuljo Kprime za K glede na točko O
Za odvod v poljubni točki na Ks ki ustreza parametru t dobimo
dy
dx(x) =
y
x(t) = minus
1t
Enačbi tangente v tej točki in pravokotnice skozi O nanjo pa se glasita
y +4at3 = minus1t(xminusa(1+3t4)) y = tx
Sekata se v točki s koordinatama
x(t) = a(1minus t2) y(t) = at(1minus t2)
To sta ravno parametrični enačbi krivulje K tako da velja Kprimes =K
Podobno ugotovimo tudi da je premica x = a nožiščna krivulja za para-
bolo Kq Premica x = a je tangenta te parabole v temenu V splošnem je
temenska tangenta parabole kar njena nožiščna krivulja glede na gorišče
Ugotovili smo torej da je nožiščna krivulja krivulje Kr spremljajoča para-
bola krivulje K
Ekstremne točke nožiščne krivulje Kprime
Ekstremne točke na zanki krivulje Kprime dobimo iz odvodov
x(t) =2at(1minus t2)(3t2 +1)(9t4 +2t2 minus3)
(9t4 minus2t2 +1)2
y(t) =2a(t2 minus1)(3t2 +1)(3t4 +6t2 minus1)
(9t4 minus2t2 +1)2
Za t = 0 doseže v točki D(a0) abscisa svojo največjo vrednost Za t = plusmn1
poteka krivulja skozi točko O kjer sama sebe preseka pod pravim kotom
ker je yprime(0) = (yx)(plusmn1) = ∓1
35
Najmanjšo absciso na zanki ima krivulja Kprime v točki ki jo določa para-
meter t za katerega velja pogoj 9t4 +2t2 minus3 = 0 To je bikvadratna enačba
katere realni rešitvi sta tplusmn = plusmnradic
2radic
7minus13 ustrezni točki na krivulji pa
izračunamo z enačbama (4) in dobimo
Xplusmn(a(17minus7radic
7)27plusmnaradic
74radic
7minus17227)
Ekstremni ordinati na zanki ima krivulja takrat za tisto vrednost para-
metra t za katerega velja pogoj 3t4 + 6t2 minus 1 = 0 Realni rešitvi te bi-
kvadratne enačbe sta tplusmn = plusmn(3radic
2minusradic
6) 4radic
36 ustrezni točki na krivulji pa
Yplusmn(a(3minusradic
3)3plusmna 4radic123)
Ker v koordinatah ekstremnih točk nastopajo poleg osnovnih aritmetičnih
operacij le kvadratni in bikvadratni (četrti) koreni so te točke konstruk-
tibilne
Cisoida
Spoznali smo enega od načinov pridobivanja novih ravninskih krivulj iz
danih to je z nožišči izbrane točke na tangentah dane krivulje Krivulji
s tem priredimo nožiščno krivuljo glede na izbrano točko Drug tak pre-
prost način kako iz znanih krivulj dobimo nove je cisoidni način Kako
pa ta poteka
Denimo da sta znani krivulji K1 in K2 ter točka O ki ležijo v isti
ravnini Pri tem sta K1 in K2 taki krivulji da vsaka premica p skozi O
ki seka K1 v neki točki T1 seka tudi K2 recimo v točki T2 (slika 18) Za
vsak T1 označimo na p točko T tako da veljaETHOT =
ETHETHT1T2 Ko T1 potuje po
K1 T opiše krivuljo C ki jo imenujemo cisoida krivulj K1 in K2 glede na
točko O Definicije take cisoide se nekoliko razlikujejo od vira do vira
36
Slika 18 Krivulja C je cisoida krivulj K1 in K2 glede na točko O
Dioklova cisoida s katero rešimo problem podvojitve kocke je cisoida
krožnice x2 + y2 = ax in premice x = a glede na koordinatno izhodišče O
Več o cisoidah in njihovi uporabi je napisanega na primer v [8]
Krivulja K je povezana tudi s polkubično ali semikubno ali Neilovo
parabolo poimenovano po Williamu Neilu (1637ndash1680) Parametrični
enačbi (3) lahko zapišemo v vektorski obliki v standardni bazi kot razliko
kolinearnih vektorjev
r(t) = (x(t)y(t)) =ETHOT = (a(1minus t2)at(1minus t2)) = (aat)minus (at2at3)
Vektor r1(t) = (aat) = (a0)+at(01) je enačba premice x = a v parametrični
obliki vektor r2(t) = (at2at3) pa polkubične parabole ki ima enačbo ay2 =
x3 in ost v točkiO Parameter t geometrijsko pomeni tangens naklonskega
kota premice OA (slika 13)
Premica y = tx poteka skozi koordinatno izhodišče O in seka premico
x = a v točkiA(aat) zato jeETHOA = r1 Ista premica seka polkubično parabolo
P ki ima enačbo ay2 = x3 v točki P (at2at3) tako da jeETHOP = r2 S tem je
ETHPA =
ETHOAminus
ETHOP = r1minus r2 = r To pomeni da je r =
ETHOT =
ETHOAminus
ETHOP Potemtakem
je krivulja K cisoida polkubične parabole P z enačbo ay2 = x3 in premice
37
Slika 19 De Slusova perla K kot cisoidna krivulja
x = a glede na točko O (slika 19)
Neilova parabola in ločna dolžina
Neilova ali polkubična parabola ay2 = x3 je bila v zgodovini matematike
pomembna kot ena prvih krivulj za katero so znali izračunati ločno dolžino
Prav prvi je to znal John Wallis (1616ndash1703) leta 1657
Denimo da nas zanima ločna dolžina `(b) te krivulje nad intervalom
[0b] (slika 20) Znano je da lahko uporabimo formulo za ločno dolžino
krivulje ki je dana v eksplicitni obliki
`(b) = intb
0
radic
1+yprime2dx
Pri tem je y = f (x) enačba krivulje in yprime = f prime(x) V našem primeru je y =
38
Slika 20 Neilova ali polkubična parabola
f (x) = plusmnradicx3a Kratek račun nam da yprime2 = 9x(4a) in
`(b) = intb
0
radic
1+9x4adx
Z uvedbo nove integracijske spremenljivke u z relacijo u2 = 1 + 9x(4a)
dobimo
`(b) =8a9 int
c
1u2du =
8a27
(c3 minus1)
pri čemer je c =radic
1+9b(4a)
Leibnizeva izohrona je krivulja po kateri se je leta 1687 vprašal G W
Leibniz Poiskati je treba v navpični ravnini krivuljo po kateri se brez
trenja giblje točkasta masa ki je podvržena konstantnemu težnostnemu
polju tako da je navpična komponenta njene hitrosti ves čas konstantna
Nalogo je prvi rešil C Huygens nizozemski astronom fizik in matema-
tik znan tudi po odkritju Saturnovega satelita Titana in znamenitih Sat-
urnovih obročev ter po izdelavi prve ure na nihalo kar je bilo za tiste čase
velik napredek v merjenju točnega časa
39
Slika 21 Leibnizeva izohrona
Izhodišče O postavimo v najvišjo točko krivulje (slika 21) V tej točki
je horizontalna hitrost premikajoče se mase m enaka 0 Naj bo v0 njegova
navpična hitrost navzdol Os y je vodoravna os x pa usmerjena navz-
dol Potencialno energijo mase računamo nad izbranim nivojem spodaj V
skladu z načelom ohranitve mehanske energije v času t in času 0 potem
velja12mv2(t)+mg(hminusx(t)) =
12mv2
0 +mgh
Pri tem je g težni pospešek Po poenostavitvi dobimo v2(t) = 2gx(t)+ v20
Vektor hitrosti ima v vsakem trenutku med seboj pravokotni komponenti
v(t) = (x(t) y(t)) za t = 0 pa v(0) = (v00) Upoštevamo da je ∣v(t)∣2 =
v2(t) = x2(t) + y2(t) in da je x(t) = v0 pa imamo sistem diferencialnih
enačb
x(t) = v0 y(t) =radic
2gx(t)
ki ga rešimo pri začetnih pogojih x(0) = y(0) = 0 in dobimo
x(t) = v0t y(t) =23
radic2gv0t3
40
Koordinati točk na dobljeni krivulji zadoščajo enačbi
ay2 = x3 a =9v2
0
8g
Pri dani konstanti a je v0 = (23)radic
2ag Iskana krivulja je torej Neilova
parabola Ime izohrona je dobila zato ker točkasta masa po vertikali
v enakih časih prepotuje enake razdalje V grščini beseda ἴσος pomeni
rdquoenakrdquo χρόνος pa rdquočasrdquo
Dolžina ` zanke krivulje K nas pripelje do zapletenega eliptičnega in-
tegrala za katerega zapišimo približno vrednost
` = 2aint1
0
radic9t4 minus2t2 +1dt ≐ 271559186a
Pač pa je dolžina loka ` četrtkubične parabole Ks ogrinjače premic s bolj
prijazna Za dolžino loka od točke D ki ustreza parametru t = 0 do točke
ki ustreza parametru t = α dobimo
` = 12aintα
0t2
radic1+ t2dt =
3a2
(α(1+2α2)radic
1+α2 minus ln(α +radic
1+α2))
Prav tako dolžina loka ` navadne parabole Kq ogrinjače premic q ne
dela težav Za dolžino loka od točke D ki ustreza parametru t = 0 do
točke ki ustreza parametru t = α dobimo
` = 2aintα
0
radic1+ t2dt = a(α
radic1+α2 + ln(α +
radic1+α2))
Za spremljajočo parabolo dobimo prav tako enostaven rezultat za ločno
dolžino od točke O do točke ki ustreza parametru t = α
` = intα
0
radic1+4t2dt =
a4(2α
radic1+4α2 + ln(2α +
radic1+4α2))
Nazadnje zapišimo še ločno dolžino polkubične parabole Kr
` = 6aintα
0tradic
1+ t2dt = 2a((1+α2)radic
1+α2 minus1)
41
Pri vseh zgornjih primerih je parameter t strmina premice p v prvotni
konstrukciji krivulje K
Ploščine in prostornine
Ploščina S lika ki ga omejuje zanka krivulje K je
S =2radica int
a
0xradicaminusxdx
Z uvedbo nove integracijske spremenljivke t z relacijo aminusx = t2 je
S =4radica int
radica
0t2(aminus t2)dt =
4radica int
radica
0(at2 minus t4)dt =
8a2
15
Lahko pa jo izrazimo tudi s splošno formulo ki smo jo izpeljali na začetku
razdelka S to formulo lahko izrazimo še prostornino V telesa ki ga pri
rotaciji okoli osi x opiše lik
V =πa int
a
0x2(aminusx)dx =
πa3
12
To je ravno polovica prostornine krogle s premerom a
Pač pa je izraz za ploščino S prime lika ki ga omejuje zanka krivulje Kprime bolj
zapleten izraz Uporabimo parametrični enačbi (4) in dobimo
S prime = int1
0(x(t)y(t)minus x(t)y(t))dt = 2a2
int
1
0
(1minus t2)3(1+2t2 minus3t4)(9t4 minus2t2 +1)2 dt
Če se zanesemo na računalniško računanje določenih integralov potem je
S prime =2a2
729(3(43πminus28)+52
radic2ln(1+
radic2))
kar je približno S prime ≐ 1059206796a2 Do enakega rezultata pridemo z
navidez enostavnejšo formulo
S prime = 2inta
0y(x)dx
42
toda drugim težjim integralom
S prime = 2int0
1y(t)x(t)dt = minus8a2
int
1
0
t2(1minus t2)3(3t2 +1)(9t4 +2t2 minus3)(9t4 minus2t2 +1)3 dt
Zakaj smo integrirali po parametru t od 1 do 0 Zato ker abscisa x narašča
od 0 do a ko t pada od 1 do 0 Ordinata y pa je pri tem nenegativna (glej
izraza (4))
Tudi izraz za prostornino V prime telesa ki ga pri rotaciji okoli osi x opiše
lik omejen s Kprime je navidez enostaven
V prime =πinta
0y2(x)dx
toda s parametrom t je zapleten a eksaktno izračunljiv
V prime =πint0
1y2(t)x(t)dt = 8πint
1
0
t3(t2 minus1)5(3t2 +1))(9t4 +2t2 minus3)(9t4 minus2t2 +1)4 dt
Za rezultat dobimo
V prime =2πa3
19683(431π
radic2+369+744ln2)
kar je približno V prime ≐ 08936800975a3
Naj bo s tem računanja integralov dovolj V nadaljevanju se bomo
posvetili nekaterim lažjim problemom
Tangenta
Pri krivuljah v koordinatnem sistemu Oxy so pomembni štirje dotikalni
elementi za posamezne točke T odsek na tangenti ∣TA∣ odsek na normali
∣T B∣ subtangenta ∣AT prime∣ in subnormala ∣BT prime∣ (slika 23) Izražajo se takole
∣TA∣ = ∣y
yprime
radic
1+yprime2∣ ∣T B∣ = ∣yradic
1+yprime2∣ ∣T primeA∣ = ∣y
yprime∣ ∣T primeB∣ = ∣yyprime∣
43
Slika 22 Ploščini likov omejenih z zankama krivulj K in Kprime
Pri tem pomeni yprime = f prime(x) če je enačba krivulje y = f (x) Točka T prime je pra-
vokotna projekcija točke T na abscisno os A je presečišče tangente na
krivuljo v točki T z osjo x B pa presečišče normale z osjo x Dotikalni
elementi so posebej definirani tudi za krivulje v polarnih koordinatah
Slika 23 Dotikalni elementi krivulje
De Sluse je za algebrsko krivuljo f (xy) = 0 po svoje našel izraz za sub-
tangento ts to je pravokotno projekcijo odseka na tangenti
44
na os x V današnji pisavi se subtangenta izraža v obliki
ts = minusy
partfparty (xy)
partfpartx (xy)
Za krivuljo K je f (xy) = ay2 minusx2(aminusx) = 0 in
ts =2x(xminusa)3xminus2a
Lotimo se še konstrukcije tangente t in normale n naK v točki T0(x0y0) ne
O ki enolično določa točko A(aay0x0) kot presečišče premice p skozi O
in T0 s premico x = a Skozi A povlecimo vzporednico nprime z normalo n na K
v točki T0 Normala ima smerni koeficient kn = tsy0 oziroma
kn =
partfparty (x0y0)
partfpartx (x0y0)
=2ay0
x0(3x0 minus2a)
Premica nprime ima enačbo
y minusay0
x0=
2ay0
x0(3x0 minus2a)(xminusx0)
in preseka abscisno os v točki T1(x10) za katero po krajšem računu do-
bimo x1 = 2a minus 3x02 Točko T1 in premico nprime zlahka geometrijsko kon-
struiramo Iskana tangenta t v točki T0 je pravokotna na nprime normala n pa
vzporedna z nprime (slika 24)
Inverzija krivulje K na krožnici
Po navadi za ravninske krivulje pogledamo še njihove inverzne slike na
krožnici Inverzija ali zrcaljenje na krožnici x2 + y2 = r2 je ravninska pres-
likava ι definirana s predpisom
ι ∶ (xy)↦ (r2x
x2 +y2 r2y
x2 +y2)
45
Slika 24 Tangenta in normala na krivuljo K
S spreminjanjem polmera r krožnice dobimo med seboj podobne krivulje
Če zrcalimo na krožnici x2 + y2 = a2 krivuljo K ki ima implicitno enačbo
(2) dobimo krivuljo Klowast ki ima enačbo
y4 = minusx3(aminusx)
ki je formalno oblike (2) zam = 4n = 3p = 1 in k = minus1 Dobljena krivuljaKlowast
je simetrična glede na os x ima dve veji abscisa na njej doseže ekstremni
vrednosti v točkah O(00) in D(a0) Ima pa kot bomo videli tudi dve
asimptoti y = xminusa4 in y = minusx+a4 (slika 25)
Krivuljo Klowast se da lepo parametrizirati s parametrom τ če v njeno
enačbo y4 = minusx3(aminusx) vstavimo y = τx Dobimo
x(τ) =a
1minusτ4 y(τ) =aτ
1minusτ4
To sta parametrični enačbi krivulje Klowast
Ko τ uarr minus1 x(τ)rarr minusinfin in y(τ)rarr +infin ko τ darr minus1 x(τ)rarr +infin in y(τ)rarr minusinfin
ko τ uarr +1 x(τ)rarr +infin in y(τ)rarr +infin ko τ darr +1 x(τ)rarr minusinfin in y(τ)rarr minusinfin
46
Slika 25 Inverzna slika Klowast krivulje K
Konstanti k in n poševne asimptote y = kx + n krivulje Klowast dobimo s
formulama
k = limxrarrplusmninfin
y
x n = lim
xrarrplusmninfin(y minus kx)
V našem primeru je
k = limxrarrplusmninfin
y
x= limτrarrplusmn1
τ = plusmn1 n = a limτrarrplusmn1
τ ∓11minusτ4 = ∓
a4
Poševni asimptoti sta torej premici y = plusmn(xminusa4)
Obnašanje krivulje v okolici točke D utemeljimo če zapišemo impli-
citno obliko krivulje nekoliko drugače
y4 = (xminusa)x3 = (xminusa)(a+(xminusa))3 = a3(xminusa)+3a2(xminusa)2+3a(xminusa)3+(xminusa)4
47
Slika 26 Krivulja Klowast in približka v okolici točk O in D
Za x ki je zelo blizu a prevlada na desni prvi člen tako da je y4 asymp a3(xminusa)
Razlika xminusa se torej obnaša približno tako kot bikvadrat ordinate y
V okolici točke O kjer so abscise negativne iz istega razloga velja y4 asymp
minusax3 zato se tam krivulja obnaša približno tako kot četrtkubična parabola
(slika 26)
Inverzija krivulje Kprime na krožnici
Na krožnici x2 + y2 = a2 zrcalimo še krivuljo Kprime nožiščno krivuljo krivulje
K glede na točko O Dobimo dvodelno krivuljo Kprimelowast kakršno vidimo na
sliki 27
Enačba nove krivulje v implicitni obliki je
4(x2 minusy2)2 minus4ax(x2 minus9y2)minus27a2y2 = 0
48
Slika 27 Inverzna slika Kprimelowast krivulje Kprime
Krivulja je algebrska četrte stopnje je simetrična glede na os x ima ost
z vodoravno tangento v točki O skozi točko D pa poteka v blagem loku
Natančneje ugotovimo približni potek krivulje v okolici teh dveh točk če
v zgornji enačbi obdržimo prevladujoče člene V okolici točke O kjer so
abscise negativne je ay2 asymp minus4x327 torej približno tako kot polkubična
parabola V okolici točke D(a0) je y2 asymp minus4a(x minus a) kar pomeni da se
krivulja obnaša približno tako kot parabola
Pritisnjeni krožnici na K
Pritisnjeni krožnici v točki O na krivuljo K sta inverzni sliki asimptot
krivulje Klowast na krožnici x2 + y2 = a2 Preprost račun pokaže da se asimp-
toti krivulje Klowast z inverzijo ι preslikata v krožnici x2 + y2 plusmn4ay minus4ax = 0 ki
imata središči v točkah Splusmn(2aplusmn2a) in polmer 2aradic
2 Sekata se pavokotno
v točkah O in M(4a0) Inverzija ι namreč ohranja kote (slika 28)
49
Slika 28 Pritisnjeni krožnici na krivuljo K v točki O
Ukrivljenost κ(t) krivulje K v točki ki ustreza parametru t brez težav
izračunamo iz njenih parametričnih enačb (3)
κ(t) =2(3t2 +1)
a(1minus2t2 +9t4)32
V posebnem primeru je v točki O to se pravi za t = plusmn1 ukrivljenost enaka
κ(plusmn1) = 1(2aradic
2) zato sta v O polmera pritisnjenih krožnic 1κ(plusmn1) =
2aradic
2 kar se seveda ujema z rezultatom dobljenim z inverzijo na krožnici
Toksoida
Videli smo da je inverzna slika krivulje K krivulja Klowast ki ima enačbo y4 =
minusx3(aminusx) ki je formalno oblike (2) zam = 4n = 3p = 1 in k = minus1 Prav tako
je krivulja ay2 = minusx2(aminus x) ki jo dobimo iz enačbe ay2 = x2(aminus x) krivulje
K če zamenjamo aminus x z x minus a formalno oblike (2) za m = 2n = 2p = 1 in
50
k = minus1a Krivuljo označimo jo s T ki ima enačbo
ay2 = x2(xminusa)
je nemški amaterski matematik samouk in izumitelj Diedrich (tudi Diede-
rich) Uhlhorn (1764ndash1837) imenoval rdquotoksoidardquo V svojem delu [13] obrav-
nava več krivulj in za nekatere tudi opiše mehanske naprave s katerimi
se jih da risati pa tudi njihovo uporabo pri reševanje enačb Beseda rdquotok-
soidardquo izvira iz dveh grških τόξον kar pomeni rdquolokrdquo (kot orožje) pa tudi
rdquopuščicardquo in εἶδος kar med drugim pomeni rdquooblika podobardquo D Uhlhorn
je imenoval krivuljo v nemščini rdquoBogenlinierdquo ker nemški samostalnik rdquoBo-
genrdquo pomeni prav tako rdquolokrdquo Iz besede τόξον smo dobili tudi besede ki
so povezane s strupi kajti bojne puščice so bile često zastrupljene
Slika 29 Toksoida
Toksoida ima tudi izolirano točkoO(00) saj njeni koordinati zadoščata
implicitni enačbi
Iz implicitne enačbe toksoide dobimo z zamenjavo y = tx njeni parametri-
čni enačbi
x(t) = a(1+ t2) y(t) = at(1+ t2) (5)
ki pa ne vključujeta izolirane točke O
51
Toksoida je algebrska krivulja tretje stopnje simetrična glede na os x
ki jo preseka za t = 0 v točki D(a0) kjer ima navpično tangento Krivulja
na prvi pogled ni nič posebnega a že D Uhlhorn je pokazal kako se kon-
struira njene posamezne točke in kako se z njo podvoji kocko
Slika 30 Konstrukcija točk toksoide
Do točke T na toksoidi pridemo takole V koordinatnem sistemu Oxy
za pozitiven a določimo točko D(a0) in skoznjo konstruiramo pravokot-
nico na os x torej premico x = a (slika 30) Na tej premici izberemo točko
A ki jo bomo spreminjali da bomo dobili krivuljo Skozi O in A nato
načrtamo premico p v A pa nanjo pravokotnico q ki seka abscisno os v
točki B V B postavimo na abscisno os pravokotnico r ki preseka premico
p v točki T Ko A potuje po premici x = a točka T opiše toksoido T brez
izolirane točke O
Da res dobimo toksoido T je treba samo zapisati enačbi y = tx premice
p in y = minus(x minus a)t + at premice q ter točki A(aat) in B(a(1 + t2)0) ter
T (a(1+t2)at(1+t2)) Koordinati točke T pa res dasta paramatrični enačbi
52
toksoide
Slika 31 Konstrukcija srednjih geometrijskih sorazmernic s toksoido
Iz podobnih trikotnikov ODA OAB in OBT na sliki 30 sledi relacija
∣OD ∣
∣OA∣=∣OA∣
∣OB∣=
∣OB∣∣OT ∣
kar pomeni da sta ∣OA∣ in ∣OB∣ srednji geometrijski sorazmernici daljic
∣OD ∣ = a in ∣OT ∣ = b Zato lahko izrazimo ∣OA∣ =3radica2b in ∣OB∣ =
3radicab2 na isti
način kot pri (3)
Če imamo že načrtano toksoido T potem srednji geometrijski sorazmer-
nici za a in b gt a dobimo tako da poiščemo presečišče T krožnice s sredi-
ščem v O skozi točko C(b0) in na zgoraj opisan način poiščemo premice
pq in r ter točki A in B (slika 31) Za b = 2a na ta način rešimo problem
podvojitve kocke ∣OA∣ = a 3radic
2
Ukrivljenost κ(t) toksoide T v točki ki ustreza parametru t brez težav
53
izračunamo iz njenih parametričnih enačb (5)
κ(t) =2(3t2 minus1)
a(1+10t2 +9t4)32
Opazimo da ukrivljenost menja predznak pri t = plusmn1radic
3 kar nam da točki
Pplusmn(4a3plusmn4aradic
39) v katerih ima T prevoja s tangentama s smernima koe-
ficientoma plusmnradic
3 Tangenti oklepata z osjo x kota plusmnπ3 Pritisnjena krožnica
v točki D ki ustreza t = 0 ima za polmer 1∣κ(0)∣ = a2 in središče v točki
S(3a20) (slika 32)
Slika 32 Prevoja toksoide T in pritisnjena krožnica v točki D
Prevoja sta konstruktibilna pri čemer si lahko pomagamo z vesico pis-
cis nad daljico OD Njeni točki Vplusmn sta narazen za aradic
3 premici skozi O
in Vplusmn pa določata smeri tangent v prevojih Prav tako je konstruktibilna
točka S V okolici točk D in Pplusmn je ujemanje toksoide s pritisnjeno krožnico
v D in tangentama v prevojih Pplusmn zelo dobro
54
Enačba toksoide T v polarnih koordinatah in ϕ je
(ϕ) =a
cos3ϕ
kar sledi iz njene implicitne oblike
a(x2 +y2) = x3
Pri tem je treba le upoštevati zvezi x2 +y2 = 2 in x = cosϕ
Polarna oblika je zelo primerna za študij inverzije na krožnici s središčem
v točki O in polmerom R Če je namreč lowast polarni polmer invertirane
krivulje mora veljati relacija
(ϕ)lowast(ϕ) =R2
Če izberemo R = a dobimo za inverzno sliko toksoide T krivuljo (slika 33)
T lowast ki ima nasledno enačbo v polarnih koordinatah
lowast(ϕ) = acos3ϕ
Slika 33 Inverzna slika T lowast toksoide T
55
Iz polarne oblike krivulje T lowast hitro izpeljemo še njeno implicitno enačbo
(x2 +y2)2 = ax3
Torej je T lowast algebrska krivulja četrte stopnje
Ploščino S lika ki ga ograjuje krivulja T lowast izračunamo po znani for-
muli
S = 2 sdot12 int
π2
0lowast2(ϕ)dϕ = a2
int
π2
0cos6ϕdϕ = a2 sdot
56
sdotπ2=
5πa2
32
Krivulja T lowast je simetrična glede na os x v točkah O in D ima navpični
tangenti največji odklon od osi x pa doseže v točkah Yplusmn(9a16plusmn3aradic
316)
kjer ima vodoravni tangenti in sicer pri polarnih kotih plusmnπ6
De Slusove pomnoževalke hiperkock
Podvojitev kocke je kot vemo klasični grški geometrijski problem ki se ga
ne da rešiti evklidsko to je samo z neoznačenim ravnilom in šestilom kar
so dokazali šele v 19 stoletju Problem zahteva določiti rob kocke ki ima
prostornino enako dvakratniku prostornine dane kocke To pomeni da
je treba za dano daljico a konstruirati tako daljico b za katero je b = a 3radic
2
Problem podvojitve kocke so Grki znali rešiti na več načinov Eden od njih
je možen s posebno ravninsko krivuljo z Dioklovo cisoido (več na primer
v [7])
Povsem smiselno se je vprašati kako bi pomnožili s faktorjem s gt 0
poljubno r-razsežno hiperkocko z robom a Njena prostornina je ar zato
je b = a rradics rob hiperkocke katere prostornina je s-kratnik prostornine
hiperkocke z robom a Dva primera sta trivialna Za r = 1 imamo daljico
56
njena rdquoprostorninardquo je kar njena dolžina a za r = 2 pa kvadrat čigar rdquopros-
torninardquo je kar njegova ploščina a2 Za r = 3 imamo opraviti z običajno
kocko z običajno prostornino a3 V prvih dveh primerih množenje s fak-
torjem s ni problematično saj s problemom lahko geometrijsko rešimo s
podobnimi trikotniki in z višinskim izrekom v pravokotnem trikotniku
Za r ge 4 si r-razsežno hiperkocko teže predstavljamo ker je ne moremo
realizirati z običajno geometrijo To pa ni ovira pri pomnožitvi take hiper-
kocke s številom s ker moramo znati samo njen rob a geometrijsko pom-
nožiti s številom rradics kar pa lahko naredimo v običajni ravnini V mate-
matični analizi je r-razsežna hiperkocka z robom a na primer kar r-kratni
kartezični produkt intervala [minusa2a2] s samim seboj to je množica
[minusa2a2]r = (x1x2 xr) isinRr ∶ ∣x1∣ le a2 ∣x2∣ le a2 ∣xr ∣ le a2
Oglejmo si de Slusove perle (2) z eksponenti mn =mminus 1 in p = 1 fak-
torjem k = 1 ter a gt 0 pri čemer je m sodo število to se pravi krivulje z
implicitno enačbo
ym = xmminus1(aminusx) (6)
oziroma xm + ym = axmminus1 Pri danem m označimo ustrezno krivuljo s Hm
Med njimi je tudi stara znanka x2 + y2 = ax krožnica s polmerom a2
in središčem v točki S(a20) Skupne vsem krivuljam so točke O(00)
Cplusmn(a2plusmna2) D(a0) ter navpični tangenti v O in D Krivulje Hm so za-
ključene in simetrične glede na os x in se dajo lepo parametrizirati z y = tx
Za vsako dobimo parametrično enačbo
x(t) =a
1+ tm y(t) =
at1+ tm
(7)
Najbolj se taka krivulja oddalji od abscisne osi za t = 1 mradicmminus1 v točkah
Yplusmn(a(mminus1)mplusmnam mradic
(mminus1)mminus1) Za t = 0 dobimo točko D za ∣t∣rarrinfin pa
57
se krivulja bliža točki O Slika 34 kaže nekaj primerov
Slika 34 Nekaj krivulj Hm
Naj bo s poljubno pozitivno število in A(0as) točka na osi y Premica
skozi A in D preseka krivuljo Hm v točkah D(a0) in B(x0y0) za katero
potrebujemo samo razmerje y0x0 Na sliki 35 je izbran eksponent m = 4
Premica skozi A in D ima enačbo xa+sya = 1 iz katere izrazimo aminusx = sy
in vstavimo v enačbo (6) Dobimo ym = ysxmminus1 Ker iščemo točko B s
pozitivno ordinato lahko z y krajšamo in dobimo y0x0 =mminus1radics
Premica skozi O in B ima enačbo y = y0xx0 in preseka premico x = a
v točki C(aay0x0) oziroma C(aa mminus1radics) Zato je ∣DC∣ = ∣OD ∣ mminus1
radics) V
primeru m = 4 in s = 2 je ∣DC∣ = ∣OD ∣3radic
2) kar pomeni da se nam je pos-
rečilo podvojiti trirazsežno kocko Za s = 3 kocko potrojimo za s = 4
početverimo itd Še več zam = 6 in s = 2 podvojimo 5-razsežno hiperkocko
58
za s = 3 jo potrojimo za s = 4 početverimo itd
Slika 35 Krivulja H4 in pomnožitev roba trirazsežne kocke
Lihih m nam ni treba posebej obravnavati ker krivulje Hm ne bi bile
prave de Slusove perle Poleg tega bi tedaj bil mminus 1 sodo število denimo
m minus 1 = 2αq z naravnim α in lihim q Korenjenje se potem da izvesti z
α-kratnim kvadratnim korenjenjem in enim q-tim korenjenjem s krivuljo
Hq+1 kakor smo zgoraj opisali
Drug način za pomnožitev hiperkock poteka s cisoidami Cm krivuljHm
in premice x = a Pri parametru t premica y = tx preseka premico x = a
v točki C(aat) točka B pa ima tedaj koordinati dani z parametričnima
enačbama (7) S koordinatami točk B in C imamo takoj
ETHBC = (aminus
a1+ tm
at minusat
1+ tm) = (
atm
1+ tmatm+1
1+ tm)
59
Slika 36 Nekaj krivulj Cm
Da bo točka T na cisoidi Cm mora veljati zvezaETHOT =
ETHBC Potemtakem ima
Cm parametrični enačbi
x(t) =atm
1+ tm y(t) =
atm+1
1+ tm (8)
Ker je t = yx dobimo še implicitno enačbo krivulje Cm
xm+1 = ym(aminusx) (9)
oziroma x(xm+ym) = aym Krivulje so za sodem definirane nad intervalom
60
[0a) so simetrične glede na os x imajo za asimptoto premico x = a in
potekajo skozi koordinatno izhodišče O in točki Cplusmn(a2plusmna2) Asimptoti
se krivulja bliža ko ∣t∣ rarr infin V točki O pri t = 0 imajo ost z vodoravno
tangento Za m = 2 dobimo staro znanko Dioklovo cisoido
Slika 37 Krivulja C4 in pomnožitev roba 5-razsežne hiperkocke
Izberimo sedaj na ordinatni osi točko A(0as) pri čemer je s pozi-
tivno število in vzemimo premico skozi točki A in D (slika 37) Ta ima
enačbo xa + y(as) = 1 iz katere izrazimo a minus x = ys Premica preseka
cisoido Cm v točki M(x0y0) s pozitivno ordinato Iz enačb premice skozi
A in D in (9) dobimo y0x0 = m+1radics Premica skozi točki O in M ima
enačbo y = y0xx0 in preseka premico x = a v točki E(aa m+1radics) Torej velja
61
zveza ∣DE∣ = ∣OD ∣ m+1radics kar pomeni da smo našli rob (m + 1)-razsežne
hiperkocke ki ima za prostornino s-kratnik prostornine dane (m + 1)-
razsežne hiperkocke
Naj bo Sm ploščina lika ki ga omejuje krivulja Hm in Qm ploščina
neomejenega lika ki ga omejuje krivulja Cm z asimptoto Ni ju težko
izraziti
Pm =a2(mminus1)πm2 sin π
m Qm =
a2(m+1)πm2 sin π
m
Nadalje naj bo Vm prostornina telesa ki nastane z rotacijo krivulje Hm
okoli osi x Wm pa prostornina neomejenega telesa ki nastane z rotacijo
krivulje Cm okoli osi x Prav tako ju ni težko izraziti
Vm =2a3(mminus1)(mminus2)π2
3m3 sin 2πm
Wm =2a3(m+1)(m+2)π2
3m3 sin 2πm
Ploščine in prostornine so poleg drugega zanimale že matematike v
17 stoletju zlasti C Huygensa Izračunajmo prostornino telesa Um ki
nastane z rotacijo lika med cisoido in njeno asimptoto okoli te asimptote
(slika 38) Uporabili bomo sodobne zapise in Eulerjevi funkciji B in Γ ki
ju C Huygens še ni mogel poznati Presek nastalega telesa na višini y je
krog s polmerom aminusx in ploščino π(aminusx)2 Upoštevamo še simetrijo lika
glede na os x uporabimo parametrično obliko (8) in nastavimo integral
Um = 2πintinfin
0(aminusx(t))2y(t)dt = 2πa3
int
infin
0
tm(tm +m+1)(1+ tm)4 dt
ki ga lahko izrazimo v obliki
Um = 2πa3(I2 + (mminus1)I3 minusmI4)
pri čemer je
Ik = intinfin
0
dt
(1+ tm)k
62
ki ima za m ge 2 in k ge 1 končno vrednost S substitucijo u = 1(1 + tm)
dobimo
Ik =1m int
1
0ukminus1minus1m(1minusu)1mminus1du =
1m
B(kminus1m1m) =Γ(k minus1m)Γ(1m)
mΓ(k)
Na koncu je rezultat zelo preprost
Um =2π2a3(m2 minus1)
3m3 sin πm
Prve tri prostornine so
U2 =π2a3
4 U4 =
5radic
2π2a3
32 U6 =
35π2a3
162
Slika 38 Telo nastalo z zasukom lika med krivuljo C2 in njeno asimptoto
okoli te asimptote
Izračunajmo prostornino telesa Um ki nastane z rotacijo lika med cisoido
in njeno asimptoto okoli osi y (slika 39) Presek nastalega telesa na višini y
63
je krožni kolobar z notranjim polmerom x in zunanjim polmerom a ki ima
ploščino π(a2minusx2) Upoštevamo še simetrijo lika glede na os x uporabimo
parametrično obliko (8) in nastavimo integral
Um = 2πintinfin
0(a2 minusx2(t))y(t)dt = 2πa3
int
infin
0
tm(tm +m+1)(2tm +1)(1+ tm)4 dt
ki ga lahko izrazimo z zgoraj vpeljanimi integrali Ik v obliki
Um = 2πa3(2I1 + (2mminus3)I2 minus (3mminus1)I3 +mI4)
Na koncu dobimo za rezultat
Um =2π2a3(m+1)(2m+1)
3m3 sin πm
Prve tri prostornine so
U2 =5π2a3
4 U4 =
15radic
2π2a3
32 U6 =
91π2a3
162
V 17 stoletju so se zanimali tudi za težišča homogenih likov in teles
Lik ki ga omejuje krivulja Hm ima težišče na abscisni osi oddaljen za xT
od osi y Da bi lahko poiskali xT moramo najprej izračunati za ta lik
moment
Mm = 2inta
0xy dx = 2int
0
infinx(t)y(t)xdt = 2a3mint
infin
0
tm
(1+ tm)4 dt
Izrazimo z integrali Ik in dobimo
Mm = 2a3m(I3 minus I4) =πa3(mminus1)(2mminus1)
3m3 sin πm
Abscisa težišča lika je potem kvocient momenta Mm in ploščine Sm
xT =(2mminus1)a
3m
64
Slika 39 Telo nastalo z zasukom lika med krivuljo C2 in njeno asimptoto
okoli osi y
Lik omejen s krivuljo Cm ima težišče na abscisni osi oddaljen za xC
od osi y Da bi poiskali xC uporabimo kar PaposndashGuldinovo pravilo za
prostornino vrtenine
2πxC sdotQm = Um
kjer je Qm ploščina lika ki ga rotiramo okoli osi y Rezultat je proti vsem
pričakovanjem zelo preprost
xC =(2m+1)a
3m
Poznoantični matematik Papos iz Aleksandrije (290ndash350) v grščini Πάπ-
πος ὁ Αλεξανδρεύς v latinščini Pappus je pomemben ker je zbral prak-
tično vse dotakratno matematično znanje Grkov in dodal še marsikaj svo-
65
jega Njegovo najpomembnejše delo je rdquoZbirkardquo v grščini Συναγωγή Uk-
varjal se je tudi s klasičnimi grškimi geometrijskimi problemi
Jezuit Paul Guldin (1577ndash1643) je bil švicarski matematik in astronom
profesor matematike na Dunaju in v Gradcu Pred tem je študiral v Rimu
Skupaj s Paposom je znan
po pravilih za izračun prostornine rotacijskega telesa in površine rotacij-
ske ploskve
Slika 40 Telo nastalo z zasukom lika ki ga omejuje H4 okoli osi y
ProstorninaXm vrtenine ki nastane z rotacijo lika omejenega s krivuljo
Hm okoli osi y je po PaposndashGuldinovem pravilu za prostornino enaka
Xm = 2πxT sdot Pm = 2π(2mminus1)a
3msdota2(mminus1)πm2 sin π
m=
2π2a3(2mminus1)(mminus1)3m3 sin π
m
Slika 40 kaže vrtenino za primer krivulje H4 Podobne slike bi dobili tudi
za druge Hm
Če isti lik rotiramo okoli premice x = a tangente na krivuljo Hm v
točki D dobimo vrtenino s prostornino Ym ki jo izračunamo prav tako
66
po PaposndashGuldinovem pravilu za prostornino in dobimo
Ym = 2π(aminusxT ) sdot Pm = 2π(m+1)a
3msdota2(mminus1)πm2 sin π
m=
2π2a3(m2 minus1)3m3 sin π
m
Opazimo da je prostornina Ym enaka prostornini Um telesa ki nastane
z rotacijo lika med krivuljo Cm in njeno asimptoto okoli te asimptote
Dokler ni bil razvit infinitezimalni račun kakršnega poznamo danes
so računali ploščine težišča prostornine in površine za vsak primer pose-
bej Veliko so se v 17 stoletju pa tudi že prej znani matematiki ukvarjali
s cikloido na primer N Kuzanski M Mersenne G Galilei G P de Rober-
val C Wren G Cardano B Pascal I Newton G W Leibniz C Huygens
je neko njeno lastnost uporabil pri izdelavi ure na nihalo
Evdoksova kampila
Oglejmo si naslednjo konstrukcijo točk krivulje V točki D(a0) pri čemer
je a gt 0 postavimo pravokotnico p na abscisno os Na p izberemo točko
A ki jo bomo kasneje premikali po tej premici Skozi O in A načrtamo
premico q in skozi A krožnico s središčem v koordinatnem izhodišču O
Krožnica preseka abscisno os v točkah B in Bprime ki sta simetrični glede na
točko O V B in Bprime konstruiramo pravokotnici r in rprime na os x ki presekata
p v točkah T in T prime ki sta tudi simetrični glede na točko O Ko teče točka
A po premici p opišeta T in T prime dvodelno krivuljo ki so jo poimenovali
rdquoEvdoksova kampilardquo Točka T opiše njeno desno vejo T prime pa levo Krivulja
je očitno simetrična glede na obe koordinatni osi (slika 41)
Enačbo desne veje dobljene Evdoksove kampile je najlaže najprej izraz-
iti v polarnih koordinatah nato pa še v implicitni obliki v pravokotnih
67
Slika 41 Konstrukcija točk Evdoksove kampile
kartezičnih koordinatah Za polarni kot ϕ vzamemo naklonski kot pre-
mice q za polarni radij pa razdaljo ∣OT ∣ (slika 41) Najprej očitno veljata
zvezi ∣OA∣ = ∣OD ∣cosϕ = acosϕ in = ∣OT ∣ = ∣OB∣cosϕ = ∣OA∣cosϕ iz
katerih dobimo = acos2ϕ tako da je nazadnje pri pogoju minusπ2 ltϕ ltπ2
polarna enačba desne veje Evdoksove kampile
(ϕ) =a
cos2ϕ (10)
Obe veji krivulje imata implicitno obliko
a2(x2 +y2) = x4 (11)
ki jo dobimo iz polarne oblike z upoštevanjem zvez 2 = x2 + y2 in cosϕ =
x Krivulja v obliki (11) ima izolirano točko O(00) ki je posledica del-
jenja z ki je lahko tudi enak 0 Evdoksova kampila je algebrska krivulja
četrte stopnje
Z Evdoksovo kampilo se da podvojiti kocko Načrtamo krožnico s
središčem v točkiD in polmerom a Njena enačba je x2+y2 = 2ax Vstavimo
68
Slika 42 Podvojitev kocke z Evdoksovo kampilo
2ax namesto x2 + y2 v (11) in dobimo enačbo x4 minus2a3x = x(x3 minus2a3) = 0 ki
ima realni rešitvi x0 = 0 in x1 = a 3radic
2 V prvem kvadrantu se krožnica in
Evdoksova kampila sekata v točki T (a 3radic
2aradic
2 3radic
2minus 3radic
4) kar pomeni da
ima točka T absciso
∣T0T ∣ = b = a 3radic2
Kocka z robom b ima prostornino b3 = 2a3 torej dvakratnik prostornine
kocke z robom a
Grška beseda καμπύλος pomeni rdquokriv zavit upognjenrdquo v ženski ob-
liki καμπύλη beseda γραμμή pa rdquočrta potezardquo Polno ime krivulje je v
grščini καμπύλη γραμμή torej rdquokriva črtardquo na kratko so jo poimenovali kar
rdquokampilardquo kateri so dodali še Evdoksovo ime Evdoks iz Knida (408ndash355
pnš) Εὔδοξος ὁ Κνίδιος je bil starogrški matematik in astronom Bil je
Arhitov učenec v Tarentu grško Τάρας in Platonov na Akademiji v Ate-
nah Obiskal je tudi Sicilijo in Egipt Kasneje je ustanovil svojo šolo v
Kiziku grško Κύζικος ob Mramornem morju ali Propontidi grško Προ-
ποντίς Pomemben je njegov doprinos v teoriji razmerij in nesoizmerljivih
količin kar je uporabil Evklid Εὐκλείδης v svojih Elementih Στοιχεῖα
69
Grška beseda εὔδοξος pomeni med drugim rdquosloveč slaven ugledenrdquo
V astronomiji je Evdoks zagovarjal geocentrični svetovni sistem in za
pojasnitev gibanja planetov in Lune uvedel sistem koncentričnih sfer ki
se vrtijo ena v drugi S tem v zvezi je uvedel še eno krivuljo ki jo poznamo
pod imenom rdquoEvdoksova hipopedardquo
Problem podvojitve kocke je na svojevrsten način s torusom valjem
in stožcem rešil pitagorejec in vojaški poveljnik Arhitas iz Tarenta v južni
Italiji grško Αρχύτας ὁ Ταραντίνος rojen med letoma 435 in 410 umrl
pa med letoma 360 in 350 pnš Morda je Evdoks Arhitovo prostorsko
rešitev problema podvojitve kocke poenostavil na reševanje v ravnini in
tako prišel do svoje kampile Dokazano to ni nikjer ve se le da mu je
rešitev uspelo najti z neko krivuljo Način reševanja pa je podoben reše-
vanju z Uhlhornovo toksoido ki ima tudi podobno enačbo v polarni obliki
(ϕ) = acos3ϕ
Tako Uhlhornova toksoida kot Evdoksova kampila spadata v skupino
Clairautovih krivulj = acosnϕ ali = asinnϕ Če je n racionalno število
je Clairautova krivulja algebrska Alexis Claude Clairaut (1713ndash1765) je
bil francoski matematik in astronom
Evdoksovo kampilo brez izolirane toke O parametriziramo kar s po-
larnim kotom
x(ϕ) =a
cosϕ y(ϕ) =
asinϕcos2ϕ
Njena ukrivljenost κ(ϕ) se izraža v obliki
κ(ϕ) =cos3ϕ(3sin2ϕ minus1)
a(3sin2ϕ +1)32
Ukrivljenost spremeni predznak pri kotu ϕ za katerega je 3sin2ϕ minus1 = 0
V takih točkah ima krivulja prevoje Evdoksova kampila ima štiri in sicer
70
Slika 43 Desna veja Evdoksove kampile prevoja in pritisnjena krožnica
v točkah (plusmnaradic
62plusmnaradic
32) Strmini tangent v teh točkah sta plusmn2radic
2 Os x
presekata za desno vejo v točki G(3aradic
680) Krivinski polmer v točkah
D inDprime je enak a Središče pritisnjene krožnice v točkiD je v točki S(2a0)
Približno ujemanje krivulje tangent v prevojih Pplusmn in pritisnjene krožnice v
temenu D kaže slika 43 Ujemanje bi lahko izkoristili za približno podvo-
jitev kocke Če namesto Evdoksove kampile vzamemo kar njeno tangento
y = 2radic
2(xminusaradic
62)+aradic
32
v prevoju v prvem kvadrantu in poiščemo absciso ξ presečišča s krožnico
x2 +y2 = 2ax dobimo
ξa=
118
radic
24radic
6minus23+
radic6
3+
19≐ 1259956951
namesto točnejše vrednosti
3radic
2a
≐ 1259921049
71
Če bi podoben račun naredili za Uhlhornovo toksoido ki se v prevojih
tudi približno ujema s tangentama bi dobili slabši rezultat
Zgoraj opisani približek lahko izkoristimo za precej natančno evklid-
sko konstrukcijo roba b podvojene kocke z robom a V koordinatnem sis-
temu Oxy narišemo krožnico s polmerom a s središčem v točki D(a0)
skozi O pa konstruiramo premico p z naklonskim koeficientom k = 2radic
2
Na abscisni osi konstruiramo točkoG(3aradic
680) in skoznjo premico q vz-
poredno s p Presečišče te premice s krožnico je točka T njena pravokotna
projekcija na os y pa točka T0 Razdalja b = ∣T0T ∣ je dober približek za
a 3radic
2 (slika 44) Pri tem izkoristimo izraza za diagonalo kvadrata in višino
enakostraničnega trikotnika v katerih nastopataradic
2 inradic
3 s kombinacijo
obeh pa šeradic
6 Podrobnosti so izpuščene z malo truda lahko konstrukcije
izvede vsak sam
Slika 44 Približna podvojitev kocke
Zrcalno sliko Evdoksove kampile (11) na krožnici x2 + y2 = a2 takoj
dobimo iz polarne oblike njene desne veje lowast(ϕ) = acos2ϕ Z zapisom v
pravokotnih kartezičnih koordinatah dobimo implicitno obliko za celotno
prezrcaljeno krivuljo
(x2 +y2)3 = a2x4
72
Krivulja je algebrska šeste stopnje Simetrična je glede na obe koordinatni
osi Njeni največji odkloni od osi x so pri polarnih kotih ϕ za katere je
3sin2ϕ = 1 to je v točkah (plusmn2aradic
69plusmn2aradic
39) kjer ima krivulja vodo-
ravni dvojni tangenti
Slika 45 Zrcaljenje Evdoksove kampile na krožnici
Nova krivulja spada med Clairautove Ploščina P obeh delov jajčastih
oblik je
P = 4 sdota2
2 intπ2
0cos4ϕdϕ = 2a2 sdot
34
sdotπ2=
3πa2
8
Problem podvojitve kocke grško διπλασιασμός τοῦ κύβου ali deloški
problem poimenovan po grškem otoku Delosu v Egejskem morju je reše-
valo več grških geometrov ki so celo skušali izdelati v ta namen posebno
orodje Platon je pograjal Evdoksove Arhitove in Menajhmove učence
češ da njihovi napori kvarijo kar je dobrega v geometriji Nastal je celo
epigram (puščica zbadljivka) v zvezi s podvojitvijo kocke ki je zapisan v
Evtokijevih komentarjih k Arhimedovi razpravi rdquoO krogli in valjurdquo grško
Περὶ σφαίρας καὶ κυλίνδρου Matematik in neoplatonist Evtokij iz Aškalona
v Palestini Εὐτόκιος ὁ Ασκαλονίτης je bil poznoantični matematik rojen
73
okoli leta 480 umrl pa je okoli leta 520 O njem se ve bore malo Nekaj
časa je deloval v Atenah nazadnje pa v Aleksandriji Napisal je tudi ko-
mentarje k Apolonijevi razpravi rdquoStožnicerdquo v grščini Κωνικά Na stožnice
se je v srednjem kar nekoliko pozabilo zanimanje zanje je spet oživelo
šele v času Keplerja in Newtona ko je bil potreben opis gibanja planetov
v heliocentričnem svetovnem sistemu
Navedimo omenjeni epigram v grščini in v prevodu S Weiss (vzeto iz
obsežnega knjižnega dela v treh delih [3])
Μηδὲ σύ γrsquo Αρχύτεω δυσμήχανα ἔργα κυλίνδρων
μηδὲ Μεναιχμείους κωνοτομεῖν τριάδας
διζήσηι μηδrsquo εἴ τι θεουδέος Εὐδόξοιο
καμπύλον ἐν γραμμαῖς εἶδος ἀναγράφεται
Težkih Arhitovih del s cilindri nikar ne posnemaj
stožnic Menajhmovih treh nikdar izsekal ne boš
niti ne boš spoznal če božanskega črte Evdoksa
res zarišejo lik tak iz zavitih kampil
Videli smo kaj vse se da povedati o neki krivulji če obvladamo in-
finitezimalni račun Seveda nam je to sedaj ko imamo na voljo najnovejše
pripomočke in obsežno ter dostopno matematično literaturo veliko laže
kot je bilo matematikom v 17 stoletju ko so v marsičem še orali ledino
Pomembni znanstveniki rojeni v 17 stoletju
Navedimo nekaj pomembnih znanstvenikov predvsem matematikov fizi-
kov in astronomov ki so se rodili v 17 stoletju Razvrščeni so po letnicah
74
rojstva Veliko podatkov dobimo v [1 5] in na svetovnem spletu
Gilles Personne de Roberval (1602ndash1675)
Pierre de Fermat (1607ndash1665)
Giovanni Alfonso Borelli (1608ndash1679)
Evangelista Torricelli (1608ndash1647)
John Pell (1610ndash1685)
Johann Hevel (1611ndash1687)
Frans van Schooten (1615ndash1660)
Carlo Renaldini (1615ndash1698)
John Wallis (1616ndash1703)
Henry Oldenburg (1618ndash1677)
Michelangelo Ricci (1619ndash1682)
William Brouncker (1620ndash1684)
Edmeacute Mariotte (1620ndash1684)
Jean Picard (1620ndash1682)
Vincenzo Viviani (1622ndash1703)
Reneacute-Franccedilois de Sluse (1622-1685)
Blaise Pascal (1623ndash1662)
Giovanni Domenico Cassini (1625ndash1712)
Robert Boyle (1627ndash1691)
Christiaan Huygens (1629ndash1695)
Isaac Barrow (1630ndash1677)
Ehrenfried Walther von Tschirnhaus (1631ndash1708)
Christopher Wren (1632ndash1723)
Johann Hudde (1633ndash1704)
Robert Hooke (1635ndash1703)
75
William Neile (1637ndash1670)
James Gregory (1638ndash1675)
Philippe de la Hire (1640ndash1719)
Isaac Newton (1643ndash1727)
Olaus Roslashmer (1644ndash1710)
Gottfried Wilhelm Leibniz (1646ndash1716)
Denis Papin (1647ndash1712)
Michel Rolle (1652ndash1719)
Pierre Varignon (1654ndash1722)
Jacob Bernoulli (1655ndash1705)
Edmund Halley (1656ndash1742)
Guillaume Franccedilois Antoine LrsquoHocircpital (1661ndash1704)
David Gregory (1661ndash1708)
Abraham de Moivre (1667ndash1754)
Johann Bernoulli (1667ndash1748)
Jacopo Francesco Riccati (1676ndash1754)
Giulio Carlo Fagnano (1682ndash1766)
Roger Cotes (1682ndash1716)
Reneacute Antoine Reacuteaumur (1683ndash1757)
Greacutegoire de Saint-Vincent (1584ndash1667)
Brook Taylor (1685ndash1731)
Gabriel Daniel Fahrenheit (1686ndash1736)
Colin Maclaurin (1698ndash1746)
Pierre Louis Moreau de Mapertuis (1698ndash1759)
76
Viri
[1] I Asimov Biografska enciklopedija znanosti in tehnike Tehniška za-
ložba Slovenije Ljubljana 1978
[2] J Bair V Henry Sluse ses perles et son algorithme Losanges 14
(2011) str 14ndash18 httphdlhandlenet2268100155 (videno 10
7 2021)
[3] G Kocijančič (urednik) Fragmenti predsokratikov Študentska za-
ložba Ljubljana 2012
[4] G Loria Spezielle algebraische und transscendente ebene Kurven
Teubner Leipzig 1902
[5] U C Merzbach C B Boyer A History of Mathematics John Wiley amp
Sons Hoboken New Jersey 2011
[6] J J OrsquoConnor E F Robertson Reneacute Franccedilois Walter de Sluze MacTu-
tor
httpsmathshistoryst-andrewsacukBiographiesSluze
(videno 10 7 2021)
[7] B von Pape Von Eudoxus zu Uhlhorn Books on Demand Norderstedt
2019
[8] M Razpet Pomnožitev hiperkocke Obzornik mat fiz 68 (2021) št 1
str 1-9
[9] M Razpet in N Razpet Prepogibanje papirja podvojitev kocke in
Slusova konhoida Obzornik mat fiz 67 (2020) št 2 str 41-51
77
[10] Y Renotte Reneacute de Sluze dialogues avec Christiaan Huygens
Bulletin de lrsquouniversiteacute du 3e acircge - Liegravege 23 (2021) 4 strani
httphdlhandlenet22682596400 (videno 10 7 2021)
[11] R F Slusius Mesolabum seu duaelig mediaelig proportionales inter ex-
tremas datas per circulum et ellipsim vel hyperbolam infinitis modis
exhibitaelig Leodii Eburonum Liegravege 1659
[12] R F Slusius Mesolabum seu duaelig mediaelig proportionales inter ex-
tremas datas per circulum et per infinitas hyperbolas vel ellipses et
per quamlibet exhibitaelig ac problematum omnium solidorum effectio
per easdem curvas Leodii Eburonum Liegravege 1668
[13] D Uhlhorn Entdeckungen in der houmlhern Geometrie theoretisch und
practisch abgehandelt Schulzersquosche Buchhandlung Oldenburg 1809
[14] I Vidav Algebra Mladinska knjiga Ljubljana 1972
Avtor se zahvaljuje prof dr Milanu Hladniku za strokovni pregled
copy(2021) Marko Razpet
78
Mesolabum je iznašel Eratosten iz Kirene (276ndash195 pnš) grško ᾿Ερα-
τοσθένης ὁ Κυρηναῖος ki je deloval v Aleksandriji kot vodja tamkajšnje
slavne knjižnice ki je bila del Muzejona hiše učenosti in umetnosti grško
Μουσεῖον τῆς Αλεξανδρείας in je najbolj znan po svojem situ za iskanje
praštevil in po izračunu velikosti Zemlje Pri mesolabumu gre za to kako
mehansko določiti prvo in drugo srednjo geometrijsko sorazmernico x in
y daljic a in b kjer je 0 lt a lt b Srednji geometrijski sorazmernici x in y
morata zadoščati relacijiax=xy=y
b (1)
Če označimo te tri kvociente z λ in jih med seboj zmnožimo dobimo
axsdotxysdoty
b=ab= λ3
To pomeni da je
λ = 3
radicab x =
3radica2b y =
3radicab2
Pri tem velja relacija a lt x lt y lt b ki je posledica relacije
a3 = a2a lt a2b = aab lt abb = ab2 lt bb2 = b3
iz katere sledi po kubičnem korenjenju a lt3radica2b lt
3radicab2 lt b Zato lahko
rečemo da sta x in y sredini daljic a in b saj sta med a in b
Za b = 2a je x = a 3radic
2 in y = a 3radic
4 To pomeni da se s tem posreči pod-
vojiti in početveriti kocko Kocka z robom x ima namreč dvakrat kocka z
robom y štirikrat večjo prostornino kot kocka z robom a in dvakrat večjo
kot kocka z robom x ker je x3 = 2a3 in y3 = 4a3 = 2x3 Prvi ki je prišel na
idejo poiskati srednji geometrijski sorazmernici x in y za a in b = 2a je bil
v 5 stoletju pnš živeči Hipokrat z otoka Hios v grščini ῾Ιπποκράτης ὁ
Χῖος Skušal je rešiti problema podvojitve kocke in kvadrature kroga
13
Eratosten je bil nad svojim izumom mesolabuma tako navdušen da je
en primerek baje daroval v nekemu templju sicer pa ga je posvetil kralju
Ptolemaju III (284ndash222 pnš) imenovanemu tudi Ptolemaj Dobrotnik
grško Πτολεμαῖος Εὐεργρέτης
Slika 4 Osnovni elementi Eratostenovega mesolabuma
Sedaj je čas da opišemo Eratostenov mesolabum Njegov je bil sicer
izdelan iz lesa slonove kosti in kovin mi pa si ga bomo ogledali she-
matično geometrijsko uporabljajoč pravokotnike trikotnike daljice pre-
mice točke razmerja in sorazmerja
V ravnini so postavljeni skladni pravokotniki A1B1C1D1 A2B2C2D2 in
A3B3C3D4 s stranicami A1B1 A2B2 in A3B3 na skupni premici na kateri
ostanejo ves čas v nadaljevanju opisanega postopka Vse stranice pra-
vokotnikov pravokotne na to premico imajo dolžino b Dolžina pre-
ostalih stranic ni pomembna Na stranici B3C3 izberemo točko T tako
da je ∣B3T ∣ = a Prvi pravokotnik je negiben preostala dva pa lahko dr-
sita po premici tako da se tretji lahko skrije pod drugega drugi pa pod
prvega S tem lahko gibljiva dva postavimo tako da dobimo daljice dolžin
14
x in y ki skupaj z a in b zadoščajo relaciji (1) Pravokotniki so razdeljeni z
med seboj vzporednimi diagonalami na pravokotne trikotnike (slika 4)
Slika 5 Premik pravokotnikov Eratostenovega mesolabuma
Ko premikamo drugi pravokotnik pod prvega njegova diagonala B2D2
prej ali slej seka stranico B1C1 negibnega pravokotnika denimo v točki
E Ko pa premikamo tretji pravokotnik pod drugega njegova diagonala
B3D3 prej ali slej seka stranico B2C2 drugega pravokotnika denimo v točki
F Cilj premikanja pravokotnikov sem in tja je doseči kolinearnost točk
D1EF in T Kot bomo kmalu videli takrat x = ∣B2F∣ in y = ∣B1E∣ ustrezata
relaciji (1)
Kolinearnost točk D1EF in T dosežemo s postopkom ki mu učeno
rečemo rdquoiteracijardquo Malo premaknemo drugi pravokotnik nato malo tret-
jega pa zopet drugega itd dokler s svojo spretnostjo ne dosežemo zado-
voljive natančnosti V natančni legi označimo u = ∣B1D1∣ v = ∣B2E∣ in
w = ∣B3F∣ Te daljice so med seboj vzporedne (slika 6) in zaradi podob-
nosti trikotnikov A1B1D1 B1B2E in B2B3F ter trikotnikov B1ED1 B2FE in
15
Slika 6 Končna lega pravokotnikov Eratostenovega mesolabuma
B3T F dobimo sorazmerja
bu=y
v=xwy
u=xv=aw
iz katerih sledijo relacije
xw = av xv = yw yv = ux bv = uy
Iz prve druge tretje in četrte dobimo po vrsti
ax=wvwv=xyxy=vuvu=y
b
Sedaj je nedvomno razvidno da je res
ax=xy=y
b
Tako lahko z Eratostenovo napravo najdemo prvo in drugo srednjo ge-
ometrijsko sorazmernico daljic a in b Podobno bi lahko našli tudi več
srednjih geometrijskih sorazmernic daljic a in b
16
So pa matematiki že davno odkrili da se da srednji geometrijski so-
razmernici najti tudi s parabolama Iz relacije (1) namreč sledita preprosti
zvezi
x2 = ay y2 = bx
V prvi spoznamo enačbo parabole ki ima za simetralo ordinatno os gorišče
v točki F(0a4) in vodnico y = minusa4 v drugi pa enačbo parabole ki ima za
simetralo absciso os gorišče v točki G(b40) in vodnico x = minusb4 (slika 7)
Slika 7 Do srednjih geometrijskih sorazmernic s parabolama
Paraboli se sekata v točkah O(00) in A(3radica2b
3radicab2) Konstrukcijo je
odkril Menajhmos grško Μέναιχμος ki je živel v 4 stoletju pnš Prvi je
vpeljal stožnice kot preseke stožca z ravnino Teorijo stožnic je temeljito
obdelal Apolonij iz Perge (265ndash170 pnš) grško Απολλώνιος ὁ Περγαῖος
Njegove knjige so matematiki uporabljali še vse do Newtonovih časov
Prav tako pridemo do srednjih geometrijskih sorazmernic če poiščemo
presečišči parabole x2 = ay z goriščem F(0a4) in vodnico y = minusa4 ter
krožnice x2 + y2 = bx + ay ki ima središče v točki S(b2a2) in premer
17
Slika 8 Do srednjih geometrijskih sorazmernic s parabolo in krožnico
d =radica2 +b2 Parabola in krožnica se sekata v točkah O in A(
3radica2b
3radicab2)
(slika 8) kar potrdi preprost račun Opisano konstrukcijo je obvladal Reneacute
Descartes Menajhmos in Descartes sta pokazala da se z njunima kon-
strukcijama da rešiti problem podvojitve kocke Za b je treba v opisanih
postopkih vzeti 2a Pripomnimo še da je bila starogrška matematika
pretežno matematika razmerij in sorazmerij in tako je bilo še celo vrsto
stoletij Srednjo geometrijsko sorazmernico x daljic dolžin a in b tako
da velja a ∶ x = x ∶ b iz česar sledi x =radicab se da konstruirati z neoz-
načenim ravnilom in šestilom Spomnimo se na višinski izrek v pravokot-
nem trikotniku ki je pravzaprav posledica podobnosti dveh trikotnikov
na katera višina na hipotenuzo razdeli pravokotni trikotnik
Pri dveh srednjih geometrijskih sorazmernicah x in y pa se kot smo
videli pojavi kubični koren ki pa z omenjenima geometrijskima orodjema
ni konstruktibilen To so matematiki dokazali šele v 19 stoletju Do takrat
so problem skušali rešiti na druge načine in pri tem odkrili nove krivulje
tako da njihov trud le ni bil popolnoma zaman Geometrijski objekt bo za
18
nas rdquokonstruktibilenrdquo če se ga da konstruirati z neoznačenim ravnilom in
šestilom
Drugo de Slusovo delo
De Sluse še vedno velja za izjemno učenega človeka nadarjenega za mate-
matiko izumiteljstvo in posploševanje Njegovo ime je še danes povezano
z njegovimi konhoidami in perlami De Slusova konhoida (slika 9) ki ima
implicitno obliko
(xminus c)(x2 +y2)minus2cx2 = 0
je precej natančno obravnavana v članku [9]
Slika 9 Slusova konhoida
Reneacute de Sluse se ni ukvarjal le z matematiko ampak tudi z astronomijo
fiziko naravoslovjem in seveda teologijo Pogosto se je pritoževal nad
omejitvami ki so mu jih nalagale njegove verske in upravne funkcije
Ni veliko eksperimentiral ker za to ni imel posebnega veselja pa tudi
ne tehničnih možnosti Je pa predlagal drugim zlasti Huygensu da naj
naredijo tak ali drugačen eksperiment Z zanimanjem je bral prepovedane
19
knjige N Kopernika G Galileja in J Keplerja ter kritiziral prizadevanja za
obnovitev starih konceptov Pisal je že o ekscentričnosti v zvezi s Soncem
Zdi se da je za svoje izračune uporabljal oba sistema heliocentričnega
in geocentričnega Rad je opazoval zvezdnato nebo Tako v kemiji kot
drugje se je znašel na razpotju Prebral je modne knjige o alkimiji in
celo ponovil poskus sublimacije antimona v belo barvo vendar je bila nje-
gova razlaga odločno korpuskularna saj je uporabljal Boylove zamisli o
strukturi tekočega in trdnega stanja V podporo temu je izvajal poskuse
zamrzovanja različnih raztopin in študiral sestavo lojevca V medicinski
kemiji se je zanimal za zdravilne vode in jih tudi analiziral
V fiziki sta ga je posebej zanimala merjenje temperature in praktična
termometrija Če ne upoštevamo odkritij E Torricellija in B Pascala o
vplivu atmosferskega tlaka na zračni termometer je de Sluse leta 1664
izumil svoj termometer z voščeno kroglico pomešano s peskom ki se je
gibala v stekleni cevi zaprti na dnu napolnjeni s slano vodo tako da je
bila kroglica bolj ali manj potopljena v sredini cevi kar je opisal v pismih
Huygensu Kroglica je označevala vsako spremembo v zraku iz toplejšega
na hladnejše ko se je spuščala ali dvigala Huygens je odgovoril da je
njegov termometer prepočasen vendar je zanesljivejši od drugih istovrst-
nih termometrov ker je manj podvržen vplivu atmosferskega tlaka Žal
ni poznal florentinskega termometra ko je svojim dopisnikom vključno s
Huygensom in Oldenburgom povedal o svojem izumu Florentinski ter-
mometri so pomenili odločilen korak naprej pri merjenju temperature
Bili so prvi ki so omogočali natančne meritve Pred iznajdbo v Firencah
okoli leta 1650 so bili stari modeli zelo približni določali so ali je pred
nami nekaj hladnega ali vročega ne da bi lahko odčitali ali ocenili tem-
peraturo Razlika je v tem da je steklena cev zaprta tako da je vpliv tlaka
20
odpravljen Uporabljali so se predvsem petdesetstopinjski termometri
Taki termometri so večinoma služili za določanje nihanja temperature zra-
ka v zaprtih prostorih in na prostem Oblikovanje termometra je takrat
pomenilo tudi določitev njegove merilne lestvice vendar še brez Celzijevih
ali Fahrenheitovih stopinj Pri tem so bile stopinje enakomerno razpore-
jene med dvema skrajnostma in sicer med nivojem najhladnejše tekočine
pozimi (nizka točka) in nivojem najbolj vroče tekočine poleti (visoka točka)
Zaradi teh zelo relativnih vrednosti je primerjava meritev med dvema ter-
mometroma nezanesljiva Ob upoštevanju pripomb jo je večkrat spreme-
nil in jo ponovno predložil Oldenburgu do leta 1669 ko je R Boyle izrazil
negativno mnenje glede topnosti voska kroglic v slani tekočini Po tem da-
tumu termometer ni bil nikoli več omenjen De Sluse je zboljšal različne
instrumente ure številčnice barometre Ker ga je motilo prerekanje med
raziskovalci glede avtorstva odkritij je po Oldenburgovi smrti leta 1677
končal svojo znanstveno dejavnost
Šele v 18 stoletju so razvijali temperaturne merilne lestvice C Re-
naldini (1694) O C Roslashmer (1702) G Fahrenheit (1717) Reneacute-Antoine
F de Reacuteaumur (1730) in A Celsius (1741) Enota kelvin (K ndash v čast lordu
Kelvinu 1824-1907) osnovna enota mednarodnega sistema enot za tem-
peraturo je bila uvedena šele leta 1954
De Sluse je bil tudi zgodovinar Napisal je knjigo o smrti sv Lam-
berta škofa v Tongresu ki je bil ubit na kraju kamor je sv Hubert njegov
naslednik prenesel sedež svoje škofije Kraj se je kasneje razvil v Liegravege
Druga zgodovinska študija se nanaša na slavnega maastrichtskega škofa
sv Servacija Med de Slusovimi neobjavljenimi rokopisi je tudi zgodovina
Koumllna Pripomnimo še da je sv Hubert zavetnik lovcev matematikov
optikov in kovinarjev
21
O širini de Sluzovih interesov priča raznolikost tem ki so zajete na
več sto straneh njegovega dela neobjavljenih rokopisov ki jih zdaj hrani
Narodna knjižnica Bibliotheque Nationale v Parizu Čeprav se je ukvarjal
predvsem z matematiko njegovi rokopisi obravnavajo tudi astronomijo
fiziko in naravoslovje
De Slusove perle
Po de Slusu so po zaslugi B Pascala (več o tem v [4]) imenovane tudi
krivulje rdquode Slusove perlerdquo to so krivulje ki se v pravokotnem kartezi-
čnem koordinatnem sistemu Oxy izražajo z enačbo
ym = kxn(aminusx)p (2)
Pri tem so eksponenti mn in p naravna števila a in k pa pozitivni kon-
stanti Glede na parnost eksponentovmn in p formalno razlikujemo osem
možnosti od katerih imamo opravka s perlami le v primeru ko je m sodo
število s pravimi perlami pa v primeru ko je m sodo število n in p pa lihi
števili (slika 10) Skupno tem krivuljam so simetričnost glede na os x in
presečišča s to osjo pri x = 0 in x = a De Sluse je po svoje brez uporabe
odvoda izračunal da njegove perle dosegajo lokalne ekstreme največji
odstop od osi x med 0 in a za x = na(n+p)
V teh primerih je ploščina S lika ki ga ograjuje zanka perle enaka
S = 2k1mint
a
0xnm(aminusx)pmdx = 2k1ma(m+n+p)mint
1
0tnm(1minus t)pmdt
Integracijsko spremenljivko x smo zamenjali z novo spremenljivko t prek
relacije x = at da smo dobili obliko ki jo lahko izrazimo z Eulerjevima
22
Slika 10 Primeri de Slusovih perl
funkcijama B in Γ
S = 2k1ma(m+n+p)mB(nm+1pm+1) =
= 2k1ma(m+n+p)mΓ(nm+1)Γ(pm+1)
Γ((n+p)m+2)=
= 2k1ma(m+n+p)mnp
(m+n+p)(n+p)
Γ(nm)Γ(pm)
Γ((n+p)m)
Pri rotaciji okoli osi x ta lik v prostoru opiše telo s prostornino
V =πk2mint
a
0x2nm(aminusx)2pmdx =πk2ma(m+2n+2p)m
int
1
0t2nm(1minust)2pmdt
23
Slika 11 Zasuk de Slusove perle za m = 2n = 3p = 1k = 001 okoli osi x
Integracijsko spremenljivko x smo tudi to pot zamenjali z novo spremenljivko
t prek relacije x = at da smo dobili obliko ki jo lahko izrazimo z Eulerje-
vima funkcijama B in Γ
V =πk2ma(m+2n+2p)mB(2nm+12pm+1) =
=πk2ma(m+2n+2p)mΓ(2nm+1)Γ(2pm+1)Γ((2n+2p)m+2)
=
= 2πk2ma(m+2n+2p)m np
(m+2n+2p)(n+p)Γ(2nm)Γ(2pm)
Γ((2n+2p)m)
Poseben primer de Slusove perle
Natančneje bomo obravnavali de Slusovo perlo samo primer za m = n = 2
p = 1 in k = 1a to se pravi krivuljo K ki ima implicitno enačbo ay2 =
x2(a minus x) To pa zato ker se posamezne točke te krivulje da preprosto
konstruirati z osnovnim geometrijskim orodjem
24
Geometrijska konstrukcija in analitična obravnava
Do posameznih točk T krivulje K pridemo s preprosto geometrijsko kon-
strukcijo (slika 12) V pravokotnem kartezičnem koordinatnem sistemu
Oxy načrtamo premico x = a kjer je a pozitivna konstanta Skozi koordi-
natno izhodišče O potegnemo premico p ki ima enačbo y = tx in preseka
premico x = a v točki A(ata) Parameter t smerni koeficient premice p s
katerim je sorazmerna ordinata točkeA bomo kasneje spreminjali V točki
A na p postavimo pravokotnico q ki seka os x v točki B V B načrtamo na
q pravokotnico r ki seka premico x = a v točki C nazadnje pa skozi C še
pravokotnico s na r Presečišče premic p in s naj bo točka T (xy) Sedaj
bomo izrazili njeni koordinati x in y s parametrom t
Slika 12 Konstrukcija točke T de Slusove perle K
Premica q ima enačbo y = minus(x minus a)t + at in preseka os x v točki B(a +
at20) Premica r ima enačbo y = t(x minus aminus at2) in preseka premico x = a v
točki C(aminusat3) premica s pa enačbo y = minus(xminus a)t minus at3 Koordinati točke
T sta rešitvi sistema enačb
y = tx y = minusxminusat
minusat3
25
Po krajšem računu dobimo
x(t) = a(1minus t2) y(t) = at(1minus t2) (3)
To sta parametrični enačbi krivulje K Ko spreminjamo t po vseh realnih
vrednostih oziroma ko A drsi po premici x = a točka T (xy) opiše krivuljo
K (slika 13) z zanko ki spominja na perlo
Če si mislimo da je parameter t čas enačbi (3) predstavljata sestav-
ljeno gibanje točkaste mase v dveh med seboj pravokotnih smereh v koor-
dinatni ravnini v smeri osi x po pravilu prve enačbe v smeri osi y pa po
pravilu druge enačbe Tirnica takega gibanja je krivulja K Podoben le da
bolj preprost primer imamo tudi pri gibanju točkaste mase pri poševnem
metu
Slika 13 De Slusova perla K
Ko se t spreminja od zelo velikih negativnih vrednosti potuje T po
loku v drugem kvadrantu navzdol in doseže za t = minus1 prvič točko O Za
minus1 le t le 0 opiše lok v četrtem kvadrantu odO do temenaD(a0) za 0 le t le 1
opiše lok v prvem kvadrantu od D do točke O ki jo doseže drugič za t = 1
za t gt 1 pa se spusti po loku v tretjem kvadrantu navzdol
26
Če upoštevamo (3) dobimo
x2(t)(aminusx(t)) = a2(1minus t2)2 sdotat2 = a(at(1minus t2))2 = ay2(t)
To pomeni da je ay2 = x2(aminusx) implicitna enačba krivulje K in da je K al-
gebrska krivulja tretje stopnje Krivulja K je simetrična glede na os x Za
točke ki so zelo blizu koordinatnemu izhodiščuO je člen x3 zanemarljivo
majhen v primerjavi s kvadratnima členoma zato je tam enačba krivulje
K približno ay2 = ax2 oziroma (y minusx)(y +x) = 0 Ta enačba razpade na dve
y = x in y = minusx V točki O ima krivulja tangenti y = x in y = minusx ki se sekata
pravokotno V točki D je tangenta na krivuljo premica x = a Krivulja ima
na zanki dve glede na os x simetrično ležeči lokalno ekstremni točki v ka-
terih je tangenta vzporedna z osjo x To sta točki Mplusmn(2a3plusmn2aradic
39) De
Sluse jih je na svojevrsten način pravilno izračunal čeprav je bilo v nje-
govem času računanje z odvodi še v zametkih Da bi pravilnost ekstrem-
nih točk preverili brez odvoda uporabimo kvadrat ekstremne ordinate ki
je y2M = 4a227 in zapišimo izraz
ay2M minusx2(aminusx) = 4a327minusax2 +x3 = (xminus2a3)2(x+a3)
ki je za 0 lt x lt a nenegativen in enak 0 za x = 2a3 To pomeni da je
tedaj x2(a minus x) le 4a327 in največja ordinata na zanki krivulje je 2aradic
39
najmanjša pa minus2aradic
39 oboje pri x = 2a3 (slika 14)
Z uporabo odvoda gre vse veliko hitreje Ordinata y doseže ekstrem
takrat kot ay2 Zato je vseeno če poiščemo ekstrem enostavnejše funkcije
g(x) = x2(a minus x) = ax2 minus x3 Potreben pogoj za to je g prime(x) = 2ax minus 3x2 = 0
Dobimo stacionarni točki x1 = 0 in x2 = 2a3 Uporabimo še g primeprime(x) = 2aminus6x
Ker je g primeprime(x1) = 2a gt 0 in g primeprime(x2) = minus2a lt 0 ima funkcija g v točki x1 lokalni
minimum ki je enak 0 v točki x2 pa lokalni maksimum ki je enak 4a327
27
Slika 14 Lokalna ekstrema na de Slusovi perli K
Ekstremna točka na zanki kjer je tangenta vzporedna z osjo x je očitno
le v x2 kvadrat ekstremne ordinate je tedaj g(x2)a = 4a227 = 12a281
Ekstremni ordinati sta torej plusmn2aradic
39 pri abscisi 2a3
Abscise 2a3 ni težko geometrijsko konstruirati prav tako tudi ne or-
dinate 2aradic
39 ki je 29 razdalje ∣PminusP+∣ = aradic
3 kjer sta Pminus in P+ presečišči
krožnih lokov s središčema v točkahO inD in polmerom ∣OD ∣ To pomeni
da sta točki Pminus in P+ konstruktibilni
Če bi načrtali celotna krajša krožna loka med Pminus in P+ bi dobili med
njima lečast lik ki so mu nekoč rekli rdquovesica piscisrdquo kar dobesedno pomeni
rdquoribji mehurrdquo Lik je bil zelo znan v srednjeveški sakralni umetnosti
Čeprav v de Slusovem času še niso poznali odvoda funkcije v današn-
jem smislu so že vedeli zahvaljujoč Fermatu da ima funkcija v točki
lokalnega ekstrema vodoravno tangento
28
Spremljajoča parabola
Nastajanje krivulje K spremljajo še nekatere druge bolj ali manj znane
krivulje Najprej si oglejmo kaj dobimo če točko O pravokotno projici-
ramo na premice r in spreminjamo parameter t Dobljena projekcija naj
bo R (slika 15)
V prispevku se pogosto sklicujemo na povezavo med smernima koe-
ficientoma premice in pravokotnice nanjo Koeficienta sta si inverzna in
nasprotna Zato zlahka napišemo enačbo premice r in pravokotnice skozi
O nanjo
y = t(xminusaminusat2) y = minusxt
Njuno presečišče R ima koordinati
x(t) = at2 y(t) = minusat
Z izločitvijo parametra t dobimo y2 = ax kar pomeni da točke R pri spre-
minjanju točkeA po premici x = a opišejo parabolo rdquospremljajočo parabolordquo
ki ima gorišče v točki F(a40) in vodnico v z enačbo x = minusa4
Slika 15 De Slusova perla K in spremljajoča parabola
29
Ogrinjače
Ko drsi točka A po premici x = a premice s ogrinjajo neko krivuljo Ks
Premice s so v točki T krivulje K pravokotne na premice skozi O in T
Njeno enačbo dobimo po standardnem postopku Enačba premic s je
F(xyt) = y +xminusat
+at3 = 0
To je enoparametrična družina premic ki ogrinjajo krivuljo Ks imeno-
vano rdquoogrinjačardquo te družine (slika 16) V vsaki točki ogrinjače se jo dotika
ena premica v različnih točkah različne premice družine Enačbo njihove
ogrinjače v implicitni obliki dobimo tako da iz sistema enačb
Slika 16 De Slusova perla K in ogrinjače Ks Kq Kr
F(xyt) = 0partFpartt
(xyt) = 0
izločimo parameter t Iz enačbe
partFpartt
(xyt) = minus(xminusa)t2 +3at2 = 0
30
dobimo najprej xminusa = 3at4 kar vstavimo v prvo enačbo v sistemu in imamo
y = minus4at3 Dobili smo ogrinjačo v parametrični obliki
x(t) = a(1+3t4) y(t) = minus4at3
Izločimo t in enačba iskane ogrinjače Ks v implicitni obliki je pred nami
27y4 = 256a(xminusa)3
Ker je y dobljene krivulje sorazmeren s potenco (x minus a)34 lahko rečemo
da je ogrinjača premic s četrtkubična parabola
Podobno poiščemo ogrinjačo Kq premic q
F(xyt) = yt +xminusaminusat2 = 0partFpartt
(xyt) = y minus2at = 0
Ogrinjača v parametrični obliki je to pot
x(t) = a(1minus t2) y(t) = 2at
Z izločitvijo parametra t dobimo njeno enačbo v implicitni obliki
y2 = minus4a(xminusa)
Dobljena krivulja Kq je parabola z vodnico x = 2a in goriščem v točki O
(slika 16)
Nazadnje po enakem postopku kot doslej poiščemo še ogrinjačo Kr
premic r
F(xyt) = y minus tx+at +at3 = 0partFpartt
(xyt) = minusx+a+3at2 = 0
Ogrinjača v parametrični obliki je potem
x(t) = a(1+3t2) y(t) = 2at3
31
Z izločitvijo parametra t dobimo njeno enačbo še v implicitni obliki
27ay2 = 4(xminusa)3
Dobljena krivulja Kr je polkubična ali Neilova parabola z ostjo v točki
D(a0) kjer ima vodoravno tangento (slika 16) Krivuljo Ks smo up-
ravičeno imenovali četrtkubična parabola Slednja ima v točki D(a0)
navpično tangento
Edinole premice p od tistih ki sodelujejo v konstrukciji točk krivulje
K nimajo ogrinjače Vse premice p namreč potekajo skozi koordinatno
izhodišče O in očitno ne ogrinjajo nobene krivulje
Nožiščne krivulje
Novo krivuljoHprime dobimo če na tangente dane krivuljeH pravokotno pro-
jiciramo izbrano točko Φ Vse projekcije P nožišča točke Φ na tangentah
krivuljeH sestavljajo krivuljoHprime ki jo imenujemo rdquonožiščnardquo ali rdquopedalna
krivuljardquo krivulje H glede na točko Φ
Beseda rdquopedalenrdquo izhaja iz latinske rdquopedalisrdquo kar pomeni rdquonoženrdquo Os-
novna beseda je rdquopesrdquo v rodilniku ednine rdquopedisrdquo kar pomeni rdquonogardquo Od
tod izvirajo tudi besede rdquopedalordquo rdquopedalarrdquo in rdquopedalinrdquo
Poiščimo nekaj nožiščnih krivulj glede na koordinatno izhodišče O
Najprej za krivuljo K ki je poseben primer de Slusove perle Za odvod
v točki T isinK ki ustreza parametru t dobimo
dy
dx(x) =
y
x(t) =
3t2 minus12t
Enačbi tangente v T in pravokotnice skozi O nanjo pa se glasita
y minusat(1minus t2) =3t2 minus1
2t(xminusa(1minus t2)) y =
2t1minus3t2
x
32
Sekata se v točki P s koordinatama
x(t) =a(t2 minus1)2(1minus3t2)
9t4 minus2t2 +1 y(t) =
2at(t2 minus1)2
9t4 minus2t2 +1 (4)
S tem smo našli parametrični enačbi krivulje Kprime (slika 17) Do implicitne
enačbe je dolga pot prek rezultante dveh polinomov spremenljivke t od
katerih je prvi druge drugi pa pete stopnje Najprej opazimo da je v (4)
yx = 2t(1minus 3t2) kar lahko zapišemo kot p(t) = 3yt2 + 2xt minus y = 0 drugo
enačbo pa zapišemo v obliki q(t) = 2at5 minus 9yt4 minus 4at3 + 2yt2 + 2at minus y = 0
Zaradi enostavnosti smo pisali x in y brez argumenta t Da izločimo pa-
rameter t je treba zapisati rdquorezultantordquo R(p(t)q(t)) polinomov p(t) in
q(t) in jo izenačiti z 0 (glej [14])
R(p(t)q(t)) =
RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR
2a minus9y minus4a 2y 2a minusy 0
0 2a minus9y minus4a 2y 2a minusy
3y 2x minusy 0 0 0 0
0 3y 2x minusy 0 0 0
0 0 3y 2x minusy 0 0
0 0 0 3y 2x minusy 0
0 0 0 0 3y 2x minusy
RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR
= 0
Zadnji stolpec je deljiv z y Ker y = 0 ni del iskane nožiščne krivulje pre-
ostane ko izračunamo determinanto in jo okrajšamo z y in preuredimo
27y2(x2 +y2)2 +4ax(x2 minus9y2)(x2 +y2)minus4a2(x2 minusy2)2 = 0
Rezultat je torej algebrska krivulja šeste stopnje Krivulja je simetrična
glede na abscisno os točka O pa je njena posebna točka Za zelo majhne
x in y prevlada zadnji člen kar pomeni da sta premici y = x in y = minusx v O
tangenti na krivuljo
33
Slika 17 Nožiščna krivulja Kprime krivulje K glede na koordinatno izhodišče
Zanka krivulje Kprime nekoliko spominja na srčnico ali kardioido ki jo
opisujejo točke krožnice ki se brez drsenja kotali po enako veliki krožnici
Krivulja Kprime ima še neomejeni del ki se razteza po drugem in tretjem kvad-
rantu Poglejmo kako potuje točka po krivulji v parametrizaciji (4) ko
parameter t teče po številski premici Za t lt minus1 poteka krivulja po tretjem
kvadrantu pri čemer x(t)rarr minusinfin in y(t)rarr minusinfin ko t rarr minusinfin Pri t = minus1 točka
doseže O v obliki osti ki ima za tangento premico y = x Za minus1 lt t lt 0
potuje točka po četrtem kvadrantu doseže točko D pri t = 0 za 0 lt t lt 1
potuje naprej po prvem kvadrantu in pri t = 1 spet doseže O kjer ima
ost s tangento y = minusx nato nadaljuje pot po drugem kvadrantu pri čemer
x(t)rarr minusinfin in y(t)rarrinfin ko trarrinfin
Nožiščna krivulja malo prej obravnavane krivulje Ks glede na točko O
ni nič drugega kot krivulja K Premice s so namreč tangente na Ks nožišča
točke O na njej pa so točke krivulje K Lahko pa to preverimo z računom
34
tako kot smo poiskali nožiščno krivuljo Kprime za K glede na točko O
Za odvod v poljubni točki na Ks ki ustreza parametru t dobimo
dy
dx(x) =
y
x(t) = minus
1t
Enačbi tangente v tej točki in pravokotnice skozi O nanjo pa se glasita
y +4at3 = minus1t(xminusa(1+3t4)) y = tx
Sekata se v točki s koordinatama
x(t) = a(1minus t2) y(t) = at(1minus t2)
To sta ravno parametrični enačbi krivulje K tako da velja Kprimes =K
Podobno ugotovimo tudi da je premica x = a nožiščna krivulja za para-
bolo Kq Premica x = a je tangenta te parabole v temenu V splošnem je
temenska tangenta parabole kar njena nožiščna krivulja glede na gorišče
Ugotovili smo torej da je nožiščna krivulja krivulje Kr spremljajoča para-
bola krivulje K
Ekstremne točke nožiščne krivulje Kprime
Ekstremne točke na zanki krivulje Kprime dobimo iz odvodov
x(t) =2at(1minus t2)(3t2 +1)(9t4 +2t2 minus3)
(9t4 minus2t2 +1)2
y(t) =2a(t2 minus1)(3t2 +1)(3t4 +6t2 minus1)
(9t4 minus2t2 +1)2
Za t = 0 doseže v točki D(a0) abscisa svojo največjo vrednost Za t = plusmn1
poteka krivulja skozi točko O kjer sama sebe preseka pod pravim kotom
ker je yprime(0) = (yx)(plusmn1) = ∓1
35
Najmanjšo absciso na zanki ima krivulja Kprime v točki ki jo določa para-
meter t za katerega velja pogoj 9t4 +2t2 minus3 = 0 To je bikvadratna enačba
katere realni rešitvi sta tplusmn = plusmnradic
2radic
7minus13 ustrezni točki na krivulji pa
izračunamo z enačbama (4) in dobimo
Xplusmn(a(17minus7radic
7)27plusmnaradic
74radic
7minus17227)
Ekstremni ordinati na zanki ima krivulja takrat za tisto vrednost para-
metra t za katerega velja pogoj 3t4 + 6t2 minus 1 = 0 Realni rešitvi te bi-
kvadratne enačbe sta tplusmn = plusmn(3radic
2minusradic
6) 4radic
36 ustrezni točki na krivulji pa
Yplusmn(a(3minusradic
3)3plusmna 4radic123)
Ker v koordinatah ekstremnih točk nastopajo poleg osnovnih aritmetičnih
operacij le kvadratni in bikvadratni (četrti) koreni so te točke konstruk-
tibilne
Cisoida
Spoznali smo enega od načinov pridobivanja novih ravninskih krivulj iz
danih to je z nožišči izbrane točke na tangentah dane krivulje Krivulji
s tem priredimo nožiščno krivuljo glede na izbrano točko Drug tak pre-
prost način kako iz znanih krivulj dobimo nove je cisoidni način Kako
pa ta poteka
Denimo da sta znani krivulji K1 in K2 ter točka O ki ležijo v isti
ravnini Pri tem sta K1 in K2 taki krivulji da vsaka premica p skozi O
ki seka K1 v neki točki T1 seka tudi K2 recimo v točki T2 (slika 18) Za
vsak T1 označimo na p točko T tako da veljaETHOT =
ETHETHT1T2 Ko T1 potuje po
K1 T opiše krivuljo C ki jo imenujemo cisoida krivulj K1 in K2 glede na
točko O Definicije take cisoide se nekoliko razlikujejo od vira do vira
36
Slika 18 Krivulja C je cisoida krivulj K1 in K2 glede na točko O
Dioklova cisoida s katero rešimo problem podvojitve kocke je cisoida
krožnice x2 + y2 = ax in premice x = a glede na koordinatno izhodišče O
Več o cisoidah in njihovi uporabi je napisanega na primer v [8]
Krivulja K je povezana tudi s polkubično ali semikubno ali Neilovo
parabolo poimenovano po Williamu Neilu (1637ndash1680) Parametrični
enačbi (3) lahko zapišemo v vektorski obliki v standardni bazi kot razliko
kolinearnih vektorjev
r(t) = (x(t)y(t)) =ETHOT = (a(1minus t2)at(1minus t2)) = (aat)minus (at2at3)
Vektor r1(t) = (aat) = (a0)+at(01) je enačba premice x = a v parametrični
obliki vektor r2(t) = (at2at3) pa polkubične parabole ki ima enačbo ay2 =
x3 in ost v točkiO Parameter t geometrijsko pomeni tangens naklonskega
kota premice OA (slika 13)
Premica y = tx poteka skozi koordinatno izhodišče O in seka premico
x = a v točkiA(aat) zato jeETHOA = r1 Ista premica seka polkubično parabolo
P ki ima enačbo ay2 = x3 v točki P (at2at3) tako da jeETHOP = r2 S tem je
ETHPA =
ETHOAminus
ETHOP = r1minus r2 = r To pomeni da je r =
ETHOT =
ETHOAminus
ETHOP Potemtakem
je krivulja K cisoida polkubične parabole P z enačbo ay2 = x3 in premice
37
Slika 19 De Slusova perla K kot cisoidna krivulja
x = a glede na točko O (slika 19)
Neilova parabola in ločna dolžina
Neilova ali polkubična parabola ay2 = x3 je bila v zgodovini matematike
pomembna kot ena prvih krivulj za katero so znali izračunati ločno dolžino
Prav prvi je to znal John Wallis (1616ndash1703) leta 1657
Denimo da nas zanima ločna dolžina `(b) te krivulje nad intervalom
[0b] (slika 20) Znano je da lahko uporabimo formulo za ločno dolžino
krivulje ki je dana v eksplicitni obliki
`(b) = intb
0
radic
1+yprime2dx
Pri tem je y = f (x) enačba krivulje in yprime = f prime(x) V našem primeru je y =
38
Slika 20 Neilova ali polkubična parabola
f (x) = plusmnradicx3a Kratek račun nam da yprime2 = 9x(4a) in
`(b) = intb
0
radic
1+9x4adx
Z uvedbo nove integracijske spremenljivke u z relacijo u2 = 1 + 9x(4a)
dobimo
`(b) =8a9 int
c
1u2du =
8a27
(c3 minus1)
pri čemer je c =radic
1+9b(4a)
Leibnizeva izohrona je krivulja po kateri se je leta 1687 vprašal G W
Leibniz Poiskati je treba v navpični ravnini krivuljo po kateri se brez
trenja giblje točkasta masa ki je podvržena konstantnemu težnostnemu
polju tako da je navpična komponenta njene hitrosti ves čas konstantna
Nalogo je prvi rešil C Huygens nizozemski astronom fizik in matema-
tik znan tudi po odkritju Saturnovega satelita Titana in znamenitih Sat-
urnovih obročev ter po izdelavi prve ure na nihalo kar je bilo za tiste čase
velik napredek v merjenju točnega časa
39
Slika 21 Leibnizeva izohrona
Izhodišče O postavimo v najvišjo točko krivulje (slika 21) V tej točki
je horizontalna hitrost premikajoče se mase m enaka 0 Naj bo v0 njegova
navpična hitrost navzdol Os y je vodoravna os x pa usmerjena navz-
dol Potencialno energijo mase računamo nad izbranim nivojem spodaj V
skladu z načelom ohranitve mehanske energije v času t in času 0 potem
velja12mv2(t)+mg(hminusx(t)) =
12mv2
0 +mgh
Pri tem je g težni pospešek Po poenostavitvi dobimo v2(t) = 2gx(t)+ v20
Vektor hitrosti ima v vsakem trenutku med seboj pravokotni komponenti
v(t) = (x(t) y(t)) za t = 0 pa v(0) = (v00) Upoštevamo da je ∣v(t)∣2 =
v2(t) = x2(t) + y2(t) in da je x(t) = v0 pa imamo sistem diferencialnih
enačb
x(t) = v0 y(t) =radic
2gx(t)
ki ga rešimo pri začetnih pogojih x(0) = y(0) = 0 in dobimo
x(t) = v0t y(t) =23
radic2gv0t3
40
Koordinati točk na dobljeni krivulji zadoščajo enačbi
ay2 = x3 a =9v2
0
8g
Pri dani konstanti a je v0 = (23)radic
2ag Iskana krivulja je torej Neilova
parabola Ime izohrona je dobila zato ker točkasta masa po vertikali
v enakih časih prepotuje enake razdalje V grščini beseda ἴσος pomeni
rdquoenakrdquo χρόνος pa rdquočasrdquo
Dolžina ` zanke krivulje K nas pripelje do zapletenega eliptičnega in-
tegrala za katerega zapišimo približno vrednost
` = 2aint1
0
radic9t4 minus2t2 +1dt ≐ 271559186a
Pač pa je dolžina loka ` četrtkubične parabole Ks ogrinjače premic s bolj
prijazna Za dolžino loka od točke D ki ustreza parametru t = 0 do točke
ki ustreza parametru t = α dobimo
` = 12aintα
0t2
radic1+ t2dt =
3a2
(α(1+2α2)radic
1+α2 minus ln(α +radic
1+α2))
Prav tako dolžina loka ` navadne parabole Kq ogrinjače premic q ne
dela težav Za dolžino loka od točke D ki ustreza parametru t = 0 do
točke ki ustreza parametru t = α dobimo
` = 2aintα
0
radic1+ t2dt = a(α
radic1+α2 + ln(α +
radic1+α2))
Za spremljajočo parabolo dobimo prav tako enostaven rezultat za ločno
dolžino od točke O do točke ki ustreza parametru t = α
` = intα
0
radic1+4t2dt =
a4(2α
radic1+4α2 + ln(2α +
radic1+4α2))
Nazadnje zapišimo še ločno dolžino polkubične parabole Kr
` = 6aintα
0tradic
1+ t2dt = 2a((1+α2)radic
1+α2 minus1)
41
Pri vseh zgornjih primerih je parameter t strmina premice p v prvotni
konstrukciji krivulje K
Ploščine in prostornine
Ploščina S lika ki ga omejuje zanka krivulje K je
S =2radica int
a
0xradicaminusxdx
Z uvedbo nove integracijske spremenljivke t z relacijo aminusx = t2 je
S =4radica int
radica
0t2(aminus t2)dt =
4radica int
radica
0(at2 minus t4)dt =
8a2
15
Lahko pa jo izrazimo tudi s splošno formulo ki smo jo izpeljali na začetku
razdelka S to formulo lahko izrazimo še prostornino V telesa ki ga pri
rotaciji okoli osi x opiše lik
V =πa int
a
0x2(aminusx)dx =
πa3
12
To je ravno polovica prostornine krogle s premerom a
Pač pa je izraz za ploščino S prime lika ki ga omejuje zanka krivulje Kprime bolj
zapleten izraz Uporabimo parametrični enačbi (4) in dobimo
S prime = int1
0(x(t)y(t)minus x(t)y(t))dt = 2a2
int
1
0
(1minus t2)3(1+2t2 minus3t4)(9t4 minus2t2 +1)2 dt
Če se zanesemo na računalniško računanje določenih integralov potem je
S prime =2a2
729(3(43πminus28)+52
radic2ln(1+
radic2))
kar je približno S prime ≐ 1059206796a2 Do enakega rezultata pridemo z
navidez enostavnejšo formulo
S prime = 2inta
0y(x)dx
42
toda drugim težjim integralom
S prime = 2int0
1y(t)x(t)dt = minus8a2
int
1
0
t2(1minus t2)3(3t2 +1)(9t4 +2t2 minus3)(9t4 minus2t2 +1)3 dt
Zakaj smo integrirali po parametru t od 1 do 0 Zato ker abscisa x narašča
od 0 do a ko t pada od 1 do 0 Ordinata y pa je pri tem nenegativna (glej
izraza (4))
Tudi izraz za prostornino V prime telesa ki ga pri rotaciji okoli osi x opiše
lik omejen s Kprime je navidez enostaven
V prime =πinta
0y2(x)dx
toda s parametrom t je zapleten a eksaktno izračunljiv
V prime =πint0
1y2(t)x(t)dt = 8πint
1
0
t3(t2 minus1)5(3t2 +1))(9t4 +2t2 minus3)(9t4 minus2t2 +1)4 dt
Za rezultat dobimo
V prime =2πa3
19683(431π
radic2+369+744ln2)
kar je približno V prime ≐ 08936800975a3
Naj bo s tem računanja integralov dovolj V nadaljevanju se bomo
posvetili nekaterim lažjim problemom
Tangenta
Pri krivuljah v koordinatnem sistemu Oxy so pomembni štirje dotikalni
elementi za posamezne točke T odsek na tangenti ∣TA∣ odsek na normali
∣T B∣ subtangenta ∣AT prime∣ in subnormala ∣BT prime∣ (slika 23) Izražajo se takole
∣TA∣ = ∣y
yprime
radic
1+yprime2∣ ∣T B∣ = ∣yradic
1+yprime2∣ ∣T primeA∣ = ∣y
yprime∣ ∣T primeB∣ = ∣yyprime∣
43
Slika 22 Ploščini likov omejenih z zankama krivulj K in Kprime
Pri tem pomeni yprime = f prime(x) če je enačba krivulje y = f (x) Točka T prime je pra-
vokotna projekcija točke T na abscisno os A je presečišče tangente na
krivuljo v točki T z osjo x B pa presečišče normale z osjo x Dotikalni
elementi so posebej definirani tudi za krivulje v polarnih koordinatah
Slika 23 Dotikalni elementi krivulje
De Sluse je za algebrsko krivuljo f (xy) = 0 po svoje našel izraz za sub-
tangento ts to je pravokotno projekcijo odseka na tangenti
44
na os x V današnji pisavi se subtangenta izraža v obliki
ts = minusy
partfparty (xy)
partfpartx (xy)
Za krivuljo K je f (xy) = ay2 minusx2(aminusx) = 0 in
ts =2x(xminusa)3xminus2a
Lotimo se še konstrukcije tangente t in normale n naK v točki T0(x0y0) ne
O ki enolično določa točko A(aay0x0) kot presečišče premice p skozi O
in T0 s premico x = a Skozi A povlecimo vzporednico nprime z normalo n na K
v točki T0 Normala ima smerni koeficient kn = tsy0 oziroma
kn =
partfparty (x0y0)
partfpartx (x0y0)
=2ay0
x0(3x0 minus2a)
Premica nprime ima enačbo
y minusay0
x0=
2ay0
x0(3x0 minus2a)(xminusx0)
in preseka abscisno os v točki T1(x10) za katero po krajšem računu do-
bimo x1 = 2a minus 3x02 Točko T1 in premico nprime zlahka geometrijsko kon-
struiramo Iskana tangenta t v točki T0 je pravokotna na nprime normala n pa
vzporedna z nprime (slika 24)
Inverzija krivulje K na krožnici
Po navadi za ravninske krivulje pogledamo še njihove inverzne slike na
krožnici Inverzija ali zrcaljenje na krožnici x2 + y2 = r2 je ravninska pres-
likava ι definirana s predpisom
ι ∶ (xy)↦ (r2x
x2 +y2 r2y
x2 +y2)
45
Slika 24 Tangenta in normala na krivuljo K
S spreminjanjem polmera r krožnice dobimo med seboj podobne krivulje
Če zrcalimo na krožnici x2 + y2 = a2 krivuljo K ki ima implicitno enačbo
(2) dobimo krivuljo Klowast ki ima enačbo
y4 = minusx3(aminusx)
ki je formalno oblike (2) zam = 4n = 3p = 1 in k = minus1 Dobljena krivuljaKlowast
je simetrična glede na os x ima dve veji abscisa na njej doseže ekstremni
vrednosti v točkah O(00) in D(a0) Ima pa kot bomo videli tudi dve
asimptoti y = xminusa4 in y = minusx+a4 (slika 25)
Krivuljo Klowast se da lepo parametrizirati s parametrom τ če v njeno
enačbo y4 = minusx3(aminusx) vstavimo y = τx Dobimo
x(τ) =a
1minusτ4 y(τ) =aτ
1minusτ4
To sta parametrični enačbi krivulje Klowast
Ko τ uarr minus1 x(τ)rarr minusinfin in y(τ)rarr +infin ko τ darr minus1 x(τ)rarr +infin in y(τ)rarr minusinfin
ko τ uarr +1 x(τ)rarr +infin in y(τ)rarr +infin ko τ darr +1 x(τ)rarr minusinfin in y(τ)rarr minusinfin
46
Slika 25 Inverzna slika Klowast krivulje K
Konstanti k in n poševne asimptote y = kx + n krivulje Klowast dobimo s
formulama
k = limxrarrplusmninfin
y
x n = lim
xrarrplusmninfin(y minus kx)
V našem primeru je
k = limxrarrplusmninfin
y
x= limτrarrplusmn1
τ = plusmn1 n = a limτrarrplusmn1
τ ∓11minusτ4 = ∓
a4
Poševni asimptoti sta torej premici y = plusmn(xminusa4)
Obnašanje krivulje v okolici točke D utemeljimo če zapišemo impli-
citno obliko krivulje nekoliko drugače
y4 = (xminusa)x3 = (xminusa)(a+(xminusa))3 = a3(xminusa)+3a2(xminusa)2+3a(xminusa)3+(xminusa)4
47
Slika 26 Krivulja Klowast in približka v okolici točk O in D
Za x ki je zelo blizu a prevlada na desni prvi člen tako da je y4 asymp a3(xminusa)
Razlika xminusa se torej obnaša približno tako kot bikvadrat ordinate y
V okolici točke O kjer so abscise negativne iz istega razloga velja y4 asymp
minusax3 zato se tam krivulja obnaša približno tako kot četrtkubična parabola
(slika 26)
Inverzija krivulje Kprime na krožnici
Na krožnici x2 + y2 = a2 zrcalimo še krivuljo Kprime nožiščno krivuljo krivulje
K glede na točko O Dobimo dvodelno krivuljo Kprimelowast kakršno vidimo na
sliki 27
Enačba nove krivulje v implicitni obliki je
4(x2 minusy2)2 minus4ax(x2 minus9y2)minus27a2y2 = 0
48
Slika 27 Inverzna slika Kprimelowast krivulje Kprime
Krivulja je algebrska četrte stopnje je simetrična glede na os x ima ost
z vodoravno tangento v točki O skozi točko D pa poteka v blagem loku
Natančneje ugotovimo približni potek krivulje v okolici teh dveh točk če
v zgornji enačbi obdržimo prevladujoče člene V okolici točke O kjer so
abscise negativne je ay2 asymp minus4x327 torej približno tako kot polkubična
parabola V okolici točke D(a0) je y2 asymp minus4a(x minus a) kar pomeni da se
krivulja obnaša približno tako kot parabola
Pritisnjeni krožnici na K
Pritisnjeni krožnici v točki O na krivuljo K sta inverzni sliki asimptot
krivulje Klowast na krožnici x2 + y2 = a2 Preprost račun pokaže da se asimp-
toti krivulje Klowast z inverzijo ι preslikata v krožnici x2 + y2 plusmn4ay minus4ax = 0 ki
imata središči v točkah Splusmn(2aplusmn2a) in polmer 2aradic
2 Sekata se pavokotno
v točkah O in M(4a0) Inverzija ι namreč ohranja kote (slika 28)
49
Slika 28 Pritisnjeni krožnici na krivuljo K v točki O
Ukrivljenost κ(t) krivulje K v točki ki ustreza parametru t brez težav
izračunamo iz njenih parametričnih enačb (3)
κ(t) =2(3t2 +1)
a(1minus2t2 +9t4)32
V posebnem primeru je v točki O to se pravi za t = plusmn1 ukrivljenost enaka
κ(plusmn1) = 1(2aradic
2) zato sta v O polmera pritisnjenih krožnic 1κ(plusmn1) =
2aradic
2 kar se seveda ujema z rezultatom dobljenim z inverzijo na krožnici
Toksoida
Videli smo da je inverzna slika krivulje K krivulja Klowast ki ima enačbo y4 =
minusx3(aminusx) ki je formalno oblike (2) zam = 4n = 3p = 1 in k = minus1 Prav tako
je krivulja ay2 = minusx2(aminus x) ki jo dobimo iz enačbe ay2 = x2(aminus x) krivulje
K če zamenjamo aminus x z x minus a formalno oblike (2) za m = 2n = 2p = 1 in
50
k = minus1a Krivuljo označimo jo s T ki ima enačbo
ay2 = x2(xminusa)
je nemški amaterski matematik samouk in izumitelj Diedrich (tudi Diede-
rich) Uhlhorn (1764ndash1837) imenoval rdquotoksoidardquo V svojem delu [13] obrav-
nava več krivulj in za nekatere tudi opiše mehanske naprave s katerimi
se jih da risati pa tudi njihovo uporabo pri reševanje enačb Beseda rdquotok-
soidardquo izvira iz dveh grških τόξον kar pomeni rdquolokrdquo (kot orožje) pa tudi
rdquopuščicardquo in εἶδος kar med drugim pomeni rdquooblika podobardquo D Uhlhorn
je imenoval krivuljo v nemščini rdquoBogenlinierdquo ker nemški samostalnik rdquoBo-
genrdquo pomeni prav tako rdquolokrdquo Iz besede τόξον smo dobili tudi besede ki
so povezane s strupi kajti bojne puščice so bile često zastrupljene
Slika 29 Toksoida
Toksoida ima tudi izolirano točkoO(00) saj njeni koordinati zadoščata
implicitni enačbi
Iz implicitne enačbe toksoide dobimo z zamenjavo y = tx njeni parametri-
čni enačbi
x(t) = a(1+ t2) y(t) = at(1+ t2) (5)
ki pa ne vključujeta izolirane točke O
51
Toksoida je algebrska krivulja tretje stopnje simetrična glede na os x
ki jo preseka za t = 0 v točki D(a0) kjer ima navpično tangento Krivulja
na prvi pogled ni nič posebnega a že D Uhlhorn je pokazal kako se kon-
struira njene posamezne točke in kako se z njo podvoji kocko
Slika 30 Konstrukcija točk toksoide
Do točke T na toksoidi pridemo takole V koordinatnem sistemu Oxy
za pozitiven a določimo točko D(a0) in skoznjo konstruiramo pravokot-
nico na os x torej premico x = a (slika 30) Na tej premici izberemo točko
A ki jo bomo spreminjali da bomo dobili krivuljo Skozi O in A nato
načrtamo premico p v A pa nanjo pravokotnico q ki seka abscisno os v
točki B V B postavimo na abscisno os pravokotnico r ki preseka premico
p v točki T Ko A potuje po premici x = a točka T opiše toksoido T brez
izolirane točke O
Da res dobimo toksoido T je treba samo zapisati enačbi y = tx premice
p in y = minus(x minus a)t + at premice q ter točki A(aat) in B(a(1 + t2)0) ter
T (a(1+t2)at(1+t2)) Koordinati točke T pa res dasta paramatrični enačbi
52
toksoide
Slika 31 Konstrukcija srednjih geometrijskih sorazmernic s toksoido
Iz podobnih trikotnikov ODA OAB in OBT na sliki 30 sledi relacija
∣OD ∣
∣OA∣=∣OA∣
∣OB∣=
∣OB∣∣OT ∣
kar pomeni da sta ∣OA∣ in ∣OB∣ srednji geometrijski sorazmernici daljic
∣OD ∣ = a in ∣OT ∣ = b Zato lahko izrazimo ∣OA∣ =3radica2b in ∣OB∣ =
3radicab2 na isti
način kot pri (3)
Če imamo že načrtano toksoido T potem srednji geometrijski sorazmer-
nici za a in b gt a dobimo tako da poiščemo presečišče T krožnice s sredi-
ščem v O skozi točko C(b0) in na zgoraj opisan način poiščemo premice
pq in r ter točki A in B (slika 31) Za b = 2a na ta način rešimo problem
podvojitve kocke ∣OA∣ = a 3radic
2
Ukrivljenost κ(t) toksoide T v točki ki ustreza parametru t brez težav
53
izračunamo iz njenih parametričnih enačb (5)
κ(t) =2(3t2 minus1)
a(1+10t2 +9t4)32
Opazimo da ukrivljenost menja predznak pri t = plusmn1radic
3 kar nam da točki
Pplusmn(4a3plusmn4aradic
39) v katerih ima T prevoja s tangentama s smernima koe-
ficientoma plusmnradic
3 Tangenti oklepata z osjo x kota plusmnπ3 Pritisnjena krožnica
v točki D ki ustreza t = 0 ima za polmer 1∣κ(0)∣ = a2 in središče v točki
S(3a20) (slika 32)
Slika 32 Prevoja toksoide T in pritisnjena krožnica v točki D
Prevoja sta konstruktibilna pri čemer si lahko pomagamo z vesico pis-
cis nad daljico OD Njeni točki Vplusmn sta narazen za aradic
3 premici skozi O
in Vplusmn pa določata smeri tangent v prevojih Prav tako je konstruktibilna
točka S V okolici točk D in Pplusmn je ujemanje toksoide s pritisnjeno krožnico
v D in tangentama v prevojih Pplusmn zelo dobro
54
Enačba toksoide T v polarnih koordinatah in ϕ je
(ϕ) =a
cos3ϕ
kar sledi iz njene implicitne oblike
a(x2 +y2) = x3
Pri tem je treba le upoštevati zvezi x2 +y2 = 2 in x = cosϕ
Polarna oblika je zelo primerna za študij inverzije na krožnici s središčem
v točki O in polmerom R Če je namreč lowast polarni polmer invertirane
krivulje mora veljati relacija
(ϕ)lowast(ϕ) =R2
Če izberemo R = a dobimo za inverzno sliko toksoide T krivuljo (slika 33)
T lowast ki ima nasledno enačbo v polarnih koordinatah
lowast(ϕ) = acos3ϕ
Slika 33 Inverzna slika T lowast toksoide T
55
Iz polarne oblike krivulje T lowast hitro izpeljemo še njeno implicitno enačbo
(x2 +y2)2 = ax3
Torej je T lowast algebrska krivulja četrte stopnje
Ploščino S lika ki ga ograjuje krivulja T lowast izračunamo po znani for-
muli
S = 2 sdot12 int
π2
0lowast2(ϕ)dϕ = a2
int
π2
0cos6ϕdϕ = a2 sdot
56
sdotπ2=
5πa2
32
Krivulja T lowast je simetrična glede na os x v točkah O in D ima navpični
tangenti največji odklon od osi x pa doseže v točkah Yplusmn(9a16plusmn3aradic
316)
kjer ima vodoravni tangenti in sicer pri polarnih kotih plusmnπ6
De Slusove pomnoževalke hiperkock
Podvojitev kocke je kot vemo klasični grški geometrijski problem ki se ga
ne da rešiti evklidsko to je samo z neoznačenim ravnilom in šestilom kar
so dokazali šele v 19 stoletju Problem zahteva določiti rob kocke ki ima
prostornino enako dvakratniku prostornine dane kocke To pomeni da
je treba za dano daljico a konstruirati tako daljico b za katero je b = a 3radic
2
Problem podvojitve kocke so Grki znali rešiti na več načinov Eden od njih
je možen s posebno ravninsko krivuljo z Dioklovo cisoido (več na primer
v [7])
Povsem smiselno se je vprašati kako bi pomnožili s faktorjem s gt 0
poljubno r-razsežno hiperkocko z robom a Njena prostornina je ar zato
je b = a rradics rob hiperkocke katere prostornina je s-kratnik prostornine
hiperkocke z robom a Dva primera sta trivialna Za r = 1 imamo daljico
56
njena rdquoprostorninardquo je kar njena dolžina a za r = 2 pa kvadrat čigar rdquopros-
torninardquo je kar njegova ploščina a2 Za r = 3 imamo opraviti z običajno
kocko z običajno prostornino a3 V prvih dveh primerih množenje s fak-
torjem s ni problematično saj s problemom lahko geometrijsko rešimo s
podobnimi trikotniki in z višinskim izrekom v pravokotnem trikotniku
Za r ge 4 si r-razsežno hiperkocko teže predstavljamo ker je ne moremo
realizirati z običajno geometrijo To pa ni ovira pri pomnožitvi take hiper-
kocke s številom s ker moramo znati samo njen rob a geometrijsko pom-
nožiti s številom rradics kar pa lahko naredimo v običajni ravnini V mate-
matični analizi je r-razsežna hiperkocka z robom a na primer kar r-kratni
kartezični produkt intervala [minusa2a2] s samim seboj to je množica
[minusa2a2]r = (x1x2 xr) isinRr ∶ ∣x1∣ le a2 ∣x2∣ le a2 ∣xr ∣ le a2
Oglejmo si de Slusove perle (2) z eksponenti mn =mminus 1 in p = 1 fak-
torjem k = 1 ter a gt 0 pri čemer je m sodo število to se pravi krivulje z
implicitno enačbo
ym = xmminus1(aminusx) (6)
oziroma xm + ym = axmminus1 Pri danem m označimo ustrezno krivuljo s Hm
Med njimi je tudi stara znanka x2 + y2 = ax krožnica s polmerom a2
in središčem v točki S(a20) Skupne vsem krivuljam so točke O(00)
Cplusmn(a2plusmna2) D(a0) ter navpični tangenti v O in D Krivulje Hm so za-
ključene in simetrične glede na os x in se dajo lepo parametrizirati z y = tx
Za vsako dobimo parametrično enačbo
x(t) =a
1+ tm y(t) =
at1+ tm
(7)
Najbolj se taka krivulja oddalji od abscisne osi za t = 1 mradicmminus1 v točkah
Yplusmn(a(mminus1)mplusmnam mradic
(mminus1)mminus1) Za t = 0 dobimo točko D za ∣t∣rarrinfin pa
57
se krivulja bliža točki O Slika 34 kaže nekaj primerov
Slika 34 Nekaj krivulj Hm
Naj bo s poljubno pozitivno število in A(0as) točka na osi y Premica
skozi A in D preseka krivuljo Hm v točkah D(a0) in B(x0y0) za katero
potrebujemo samo razmerje y0x0 Na sliki 35 je izbran eksponent m = 4
Premica skozi A in D ima enačbo xa+sya = 1 iz katere izrazimo aminusx = sy
in vstavimo v enačbo (6) Dobimo ym = ysxmminus1 Ker iščemo točko B s
pozitivno ordinato lahko z y krajšamo in dobimo y0x0 =mminus1radics
Premica skozi O in B ima enačbo y = y0xx0 in preseka premico x = a
v točki C(aay0x0) oziroma C(aa mminus1radics) Zato je ∣DC∣ = ∣OD ∣ mminus1
radics) V
primeru m = 4 in s = 2 je ∣DC∣ = ∣OD ∣3radic
2) kar pomeni da se nam je pos-
rečilo podvojiti trirazsežno kocko Za s = 3 kocko potrojimo za s = 4
početverimo itd Še več zam = 6 in s = 2 podvojimo 5-razsežno hiperkocko
58
za s = 3 jo potrojimo za s = 4 početverimo itd
Slika 35 Krivulja H4 in pomnožitev roba trirazsežne kocke
Lihih m nam ni treba posebej obravnavati ker krivulje Hm ne bi bile
prave de Slusove perle Poleg tega bi tedaj bil mminus 1 sodo število denimo
m minus 1 = 2αq z naravnim α in lihim q Korenjenje se potem da izvesti z
α-kratnim kvadratnim korenjenjem in enim q-tim korenjenjem s krivuljo
Hq+1 kakor smo zgoraj opisali
Drug način za pomnožitev hiperkock poteka s cisoidami Cm krivuljHm
in premice x = a Pri parametru t premica y = tx preseka premico x = a
v točki C(aat) točka B pa ima tedaj koordinati dani z parametričnima
enačbama (7) S koordinatami točk B in C imamo takoj
ETHBC = (aminus
a1+ tm
at minusat
1+ tm) = (
atm
1+ tmatm+1
1+ tm)
59
Slika 36 Nekaj krivulj Cm
Da bo točka T na cisoidi Cm mora veljati zvezaETHOT =
ETHBC Potemtakem ima
Cm parametrični enačbi
x(t) =atm
1+ tm y(t) =
atm+1
1+ tm (8)
Ker je t = yx dobimo še implicitno enačbo krivulje Cm
xm+1 = ym(aminusx) (9)
oziroma x(xm+ym) = aym Krivulje so za sodem definirane nad intervalom
60
[0a) so simetrične glede na os x imajo za asimptoto premico x = a in
potekajo skozi koordinatno izhodišče O in točki Cplusmn(a2plusmna2) Asimptoti
se krivulja bliža ko ∣t∣ rarr infin V točki O pri t = 0 imajo ost z vodoravno
tangento Za m = 2 dobimo staro znanko Dioklovo cisoido
Slika 37 Krivulja C4 in pomnožitev roba 5-razsežne hiperkocke
Izberimo sedaj na ordinatni osi točko A(0as) pri čemer je s pozi-
tivno število in vzemimo premico skozi točki A in D (slika 37) Ta ima
enačbo xa + y(as) = 1 iz katere izrazimo a minus x = ys Premica preseka
cisoido Cm v točki M(x0y0) s pozitivno ordinato Iz enačb premice skozi
A in D in (9) dobimo y0x0 = m+1radics Premica skozi točki O in M ima
enačbo y = y0xx0 in preseka premico x = a v točki E(aa m+1radics) Torej velja
61
zveza ∣DE∣ = ∣OD ∣ m+1radics kar pomeni da smo našli rob (m + 1)-razsežne
hiperkocke ki ima za prostornino s-kratnik prostornine dane (m + 1)-
razsežne hiperkocke
Naj bo Sm ploščina lika ki ga omejuje krivulja Hm in Qm ploščina
neomejenega lika ki ga omejuje krivulja Cm z asimptoto Ni ju težko
izraziti
Pm =a2(mminus1)πm2 sin π
m Qm =
a2(m+1)πm2 sin π
m
Nadalje naj bo Vm prostornina telesa ki nastane z rotacijo krivulje Hm
okoli osi x Wm pa prostornina neomejenega telesa ki nastane z rotacijo
krivulje Cm okoli osi x Prav tako ju ni težko izraziti
Vm =2a3(mminus1)(mminus2)π2
3m3 sin 2πm
Wm =2a3(m+1)(m+2)π2
3m3 sin 2πm
Ploščine in prostornine so poleg drugega zanimale že matematike v
17 stoletju zlasti C Huygensa Izračunajmo prostornino telesa Um ki
nastane z rotacijo lika med cisoido in njeno asimptoto okoli te asimptote
(slika 38) Uporabili bomo sodobne zapise in Eulerjevi funkciji B in Γ ki
ju C Huygens še ni mogel poznati Presek nastalega telesa na višini y je
krog s polmerom aminusx in ploščino π(aminusx)2 Upoštevamo še simetrijo lika
glede na os x uporabimo parametrično obliko (8) in nastavimo integral
Um = 2πintinfin
0(aminusx(t))2y(t)dt = 2πa3
int
infin
0
tm(tm +m+1)(1+ tm)4 dt
ki ga lahko izrazimo v obliki
Um = 2πa3(I2 + (mminus1)I3 minusmI4)
pri čemer je
Ik = intinfin
0
dt
(1+ tm)k
62
ki ima za m ge 2 in k ge 1 končno vrednost S substitucijo u = 1(1 + tm)
dobimo
Ik =1m int
1
0ukminus1minus1m(1minusu)1mminus1du =
1m
B(kminus1m1m) =Γ(k minus1m)Γ(1m)
mΓ(k)
Na koncu je rezultat zelo preprost
Um =2π2a3(m2 minus1)
3m3 sin πm
Prve tri prostornine so
U2 =π2a3
4 U4 =
5radic
2π2a3
32 U6 =
35π2a3
162
Slika 38 Telo nastalo z zasukom lika med krivuljo C2 in njeno asimptoto
okoli te asimptote
Izračunajmo prostornino telesa Um ki nastane z rotacijo lika med cisoido
in njeno asimptoto okoli osi y (slika 39) Presek nastalega telesa na višini y
63
je krožni kolobar z notranjim polmerom x in zunanjim polmerom a ki ima
ploščino π(a2minusx2) Upoštevamo še simetrijo lika glede na os x uporabimo
parametrično obliko (8) in nastavimo integral
Um = 2πintinfin
0(a2 minusx2(t))y(t)dt = 2πa3
int
infin
0
tm(tm +m+1)(2tm +1)(1+ tm)4 dt
ki ga lahko izrazimo z zgoraj vpeljanimi integrali Ik v obliki
Um = 2πa3(2I1 + (2mminus3)I2 minus (3mminus1)I3 +mI4)
Na koncu dobimo za rezultat
Um =2π2a3(m+1)(2m+1)
3m3 sin πm
Prve tri prostornine so
U2 =5π2a3
4 U4 =
15radic
2π2a3
32 U6 =
91π2a3
162
V 17 stoletju so se zanimali tudi za težišča homogenih likov in teles
Lik ki ga omejuje krivulja Hm ima težišče na abscisni osi oddaljen za xT
od osi y Da bi lahko poiskali xT moramo najprej izračunati za ta lik
moment
Mm = 2inta
0xy dx = 2int
0
infinx(t)y(t)xdt = 2a3mint
infin
0
tm
(1+ tm)4 dt
Izrazimo z integrali Ik in dobimo
Mm = 2a3m(I3 minus I4) =πa3(mminus1)(2mminus1)
3m3 sin πm
Abscisa težišča lika je potem kvocient momenta Mm in ploščine Sm
xT =(2mminus1)a
3m
64
Slika 39 Telo nastalo z zasukom lika med krivuljo C2 in njeno asimptoto
okoli osi y
Lik omejen s krivuljo Cm ima težišče na abscisni osi oddaljen za xC
od osi y Da bi poiskali xC uporabimo kar PaposndashGuldinovo pravilo za
prostornino vrtenine
2πxC sdotQm = Um
kjer je Qm ploščina lika ki ga rotiramo okoli osi y Rezultat je proti vsem
pričakovanjem zelo preprost
xC =(2m+1)a
3m
Poznoantični matematik Papos iz Aleksandrije (290ndash350) v grščini Πάπ-
πος ὁ Αλεξανδρεύς v latinščini Pappus je pomemben ker je zbral prak-
tično vse dotakratno matematično znanje Grkov in dodal še marsikaj svo-
65
jega Njegovo najpomembnejše delo je rdquoZbirkardquo v grščini Συναγωγή Uk-
varjal se je tudi s klasičnimi grškimi geometrijskimi problemi
Jezuit Paul Guldin (1577ndash1643) je bil švicarski matematik in astronom
profesor matematike na Dunaju in v Gradcu Pred tem je študiral v Rimu
Skupaj s Paposom je znan
po pravilih za izračun prostornine rotacijskega telesa in površine rotacij-
ske ploskve
Slika 40 Telo nastalo z zasukom lika ki ga omejuje H4 okoli osi y
ProstorninaXm vrtenine ki nastane z rotacijo lika omejenega s krivuljo
Hm okoli osi y je po PaposndashGuldinovem pravilu za prostornino enaka
Xm = 2πxT sdot Pm = 2π(2mminus1)a
3msdota2(mminus1)πm2 sin π
m=
2π2a3(2mminus1)(mminus1)3m3 sin π
m
Slika 40 kaže vrtenino za primer krivulje H4 Podobne slike bi dobili tudi
za druge Hm
Če isti lik rotiramo okoli premice x = a tangente na krivuljo Hm v
točki D dobimo vrtenino s prostornino Ym ki jo izračunamo prav tako
66
po PaposndashGuldinovem pravilu za prostornino in dobimo
Ym = 2π(aminusxT ) sdot Pm = 2π(m+1)a
3msdota2(mminus1)πm2 sin π
m=
2π2a3(m2 minus1)3m3 sin π
m
Opazimo da je prostornina Ym enaka prostornini Um telesa ki nastane
z rotacijo lika med krivuljo Cm in njeno asimptoto okoli te asimptote
Dokler ni bil razvit infinitezimalni račun kakršnega poznamo danes
so računali ploščine težišča prostornine in površine za vsak primer pose-
bej Veliko so se v 17 stoletju pa tudi že prej znani matematiki ukvarjali
s cikloido na primer N Kuzanski M Mersenne G Galilei G P de Rober-
val C Wren G Cardano B Pascal I Newton G W Leibniz C Huygens
je neko njeno lastnost uporabil pri izdelavi ure na nihalo
Evdoksova kampila
Oglejmo si naslednjo konstrukcijo točk krivulje V točki D(a0) pri čemer
je a gt 0 postavimo pravokotnico p na abscisno os Na p izberemo točko
A ki jo bomo kasneje premikali po tej premici Skozi O in A načrtamo
premico q in skozi A krožnico s središčem v koordinatnem izhodišču O
Krožnica preseka abscisno os v točkah B in Bprime ki sta simetrični glede na
točko O V B in Bprime konstruiramo pravokotnici r in rprime na os x ki presekata
p v točkah T in T prime ki sta tudi simetrični glede na točko O Ko teče točka
A po premici p opišeta T in T prime dvodelno krivuljo ki so jo poimenovali
rdquoEvdoksova kampilardquo Točka T opiše njeno desno vejo T prime pa levo Krivulja
je očitno simetrična glede na obe koordinatni osi (slika 41)
Enačbo desne veje dobljene Evdoksove kampile je najlaže najprej izraz-
iti v polarnih koordinatah nato pa še v implicitni obliki v pravokotnih
67
Slika 41 Konstrukcija točk Evdoksove kampile
kartezičnih koordinatah Za polarni kot ϕ vzamemo naklonski kot pre-
mice q za polarni radij pa razdaljo ∣OT ∣ (slika 41) Najprej očitno veljata
zvezi ∣OA∣ = ∣OD ∣cosϕ = acosϕ in = ∣OT ∣ = ∣OB∣cosϕ = ∣OA∣cosϕ iz
katerih dobimo = acos2ϕ tako da je nazadnje pri pogoju minusπ2 ltϕ ltπ2
polarna enačba desne veje Evdoksove kampile
(ϕ) =a
cos2ϕ (10)
Obe veji krivulje imata implicitno obliko
a2(x2 +y2) = x4 (11)
ki jo dobimo iz polarne oblike z upoštevanjem zvez 2 = x2 + y2 in cosϕ =
x Krivulja v obliki (11) ima izolirano točko O(00) ki je posledica del-
jenja z ki je lahko tudi enak 0 Evdoksova kampila je algebrska krivulja
četrte stopnje
Z Evdoksovo kampilo se da podvojiti kocko Načrtamo krožnico s
središčem v točkiD in polmerom a Njena enačba je x2+y2 = 2ax Vstavimo
68
Slika 42 Podvojitev kocke z Evdoksovo kampilo
2ax namesto x2 + y2 v (11) in dobimo enačbo x4 minus2a3x = x(x3 minus2a3) = 0 ki
ima realni rešitvi x0 = 0 in x1 = a 3radic
2 V prvem kvadrantu se krožnica in
Evdoksova kampila sekata v točki T (a 3radic
2aradic
2 3radic
2minus 3radic
4) kar pomeni da
ima točka T absciso
∣T0T ∣ = b = a 3radic2
Kocka z robom b ima prostornino b3 = 2a3 torej dvakratnik prostornine
kocke z robom a
Grška beseda καμπύλος pomeni rdquokriv zavit upognjenrdquo v ženski ob-
liki καμπύλη beseda γραμμή pa rdquočrta potezardquo Polno ime krivulje je v
grščini καμπύλη γραμμή torej rdquokriva črtardquo na kratko so jo poimenovali kar
rdquokampilardquo kateri so dodali še Evdoksovo ime Evdoks iz Knida (408ndash355
pnš) Εὔδοξος ὁ Κνίδιος je bil starogrški matematik in astronom Bil je
Arhitov učenec v Tarentu grško Τάρας in Platonov na Akademiji v Ate-
nah Obiskal je tudi Sicilijo in Egipt Kasneje je ustanovil svojo šolo v
Kiziku grško Κύζικος ob Mramornem morju ali Propontidi grško Προ-
ποντίς Pomemben je njegov doprinos v teoriji razmerij in nesoizmerljivih
količin kar je uporabil Evklid Εὐκλείδης v svojih Elementih Στοιχεῖα
69
Grška beseda εὔδοξος pomeni med drugim rdquosloveč slaven ugledenrdquo
V astronomiji je Evdoks zagovarjal geocentrični svetovni sistem in za
pojasnitev gibanja planetov in Lune uvedel sistem koncentričnih sfer ki
se vrtijo ena v drugi S tem v zvezi je uvedel še eno krivuljo ki jo poznamo
pod imenom rdquoEvdoksova hipopedardquo
Problem podvojitve kocke je na svojevrsten način s torusom valjem
in stožcem rešil pitagorejec in vojaški poveljnik Arhitas iz Tarenta v južni
Italiji grško Αρχύτας ὁ Ταραντίνος rojen med letoma 435 in 410 umrl
pa med letoma 360 in 350 pnš Morda je Evdoks Arhitovo prostorsko
rešitev problema podvojitve kocke poenostavil na reševanje v ravnini in
tako prišel do svoje kampile Dokazano to ni nikjer ve se le da mu je
rešitev uspelo najti z neko krivuljo Način reševanja pa je podoben reše-
vanju z Uhlhornovo toksoido ki ima tudi podobno enačbo v polarni obliki
(ϕ) = acos3ϕ
Tako Uhlhornova toksoida kot Evdoksova kampila spadata v skupino
Clairautovih krivulj = acosnϕ ali = asinnϕ Če je n racionalno število
je Clairautova krivulja algebrska Alexis Claude Clairaut (1713ndash1765) je
bil francoski matematik in astronom
Evdoksovo kampilo brez izolirane toke O parametriziramo kar s po-
larnim kotom
x(ϕ) =a
cosϕ y(ϕ) =
asinϕcos2ϕ
Njena ukrivljenost κ(ϕ) se izraža v obliki
κ(ϕ) =cos3ϕ(3sin2ϕ minus1)
a(3sin2ϕ +1)32
Ukrivljenost spremeni predznak pri kotu ϕ za katerega je 3sin2ϕ minus1 = 0
V takih točkah ima krivulja prevoje Evdoksova kampila ima štiri in sicer
70
Slika 43 Desna veja Evdoksove kampile prevoja in pritisnjena krožnica
v točkah (plusmnaradic
62plusmnaradic
32) Strmini tangent v teh točkah sta plusmn2radic
2 Os x
presekata za desno vejo v točki G(3aradic
680) Krivinski polmer v točkah
D inDprime je enak a Središče pritisnjene krožnice v točkiD je v točki S(2a0)
Približno ujemanje krivulje tangent v prevojih Pplusmn in pritisnjene krožnice v
temenu D kaže slika 43 Ujemanje bi lahko izkoristili za približno podvo-
jitev kocke Če namesto Evdoksove kampile vzamemo kar njeno tangento
y = 2radic
2(xminusaradic
62)+aradic
32
v prevoju v prvem kvadrantu in poiščemo absciso ξ presečišča s krožnico
x2 +y2 = 2ax dobimo
ξa=
118
radic
24radic
6minus23+
radic6
3+
19≐ 1259956951
namesto točnejše vrednosti
3radic
2a
≐ 1259921049
71
Če bi podoben račun naredili za Uhlhornovo toksoido ki se v prevojih
tudi približno ujema s tangentama bi dobili slabši rezultat
Zgoraj opisani približek lahko izkoristimo za precej natančno evklid-
sko konstrukcijo roba b podvojene kocke z robom a V koordinatnem sis-
temu Oxy narišemo krožnico s polmerom a s središčem v točki D(a0)
skozi O pa konstruiramo premico p z naklonskim koeficientom k = 2radic
2
Na abscisni osi konstruiramo točkoG(3aradic
680) in skoznjo premico q vz-
poredno s p Presečišče te premice s krožnico je točka T njena pravokotna
projekcija na os y pa točka T0 Razdalja b = ∣T0T ∣ je dober približek za
a 3radic
2 (slika 44) Pri tem izkoristimo izraza za diagonalo kvadrata in višino
enakostraničnega trikotnika v katerih nastopataradic
2 inradic
3 s kombinacijo
obeh pa šeradic
6 Podrobnosti so izpuščene z malo truda lahko konstrukcije
izvede vsak sam
Slika 44 Približna podvojitev kocke
Zrcalno sliko Evdoksove kampile (11) na krožnici x2 + y2 = a2 takoj
dobimo iz polarne oblike njene desne veje lowast(ϕ) = acos2ϕ Z zapisom v
pravokotnih kartezičnih koordinatah dobimo implicitno obliko za celotno
prezrcaljeno krivuljo
(x2 +y2)3 = a2x4
72
Krivulja je algebrska šeste stopnje Simetrična je glede na obe koordinatni
osi Njeni največji odkloni od osi x so pri polarnih kotih ϕ za katere je
3sin2ϕ = 1 to je v točkah (plusmn2aradic
69plusmn2aradic
39) kjer ima krivulja vodo-
ravni dvojni tangenti
Slika 45 Zrcaljenje Evdoksove kampile na krožnici
Nova krivulja spada med Clairautove Ploščina P obeh delov jajčastih
oblik je
P = 4 sdota2
2 intπ2
0cos4ϕdϕ = 2a2 sdot
34
sdotπ2=
3πa2
8
Problem podvojitve kocke grško διπλασιασμός τοῦ κύβου ali deloški
problem poimenovan po grškem otoku Delosu v Egejskem morju je reše-
valo več grških geometrov ki so celo skušali izdelati v ta namen posebno
orodje Platon je pograjal Evdoksove Arhitove in Menajhmove učence
češ da njihovi napori kvarijo kar je dobrega v geometriji Nastal je celo
epigram (puščica zbadljivka) v zvezi s podvojitvijo kocke ki je zapisan v
Evtokijevih komentarjih k Arhimedovi razpravi rdquoO krogli in valjurdquo grško
Περὶ σφαίρας καὶ κυλίνδρου Matematik in neoplatonist Evtokij iz Aškalona
v Palestini Εὐτόκιος ὁ Ασκαλονίτης je bil poznoantični matematik rojen
73
okoli leta 480 umrl pa je okoli leta 520 O njem se ve bore malo Nekaj
časa je deloval v Atenah nazadnje pa v Aleksandriji Napisal je tudi ko-
mentarje k Apolonijevi razpravi rdquoStožnicerdquo v grščini Κωνικά Na stožnice
se je v srednjem kar nekoliko pozabilo zanimanje zanje je spet oživelo
šele v času Keplerja in Newtona ko je bil potreben opis gibanja planetov
v heliocentričnem svetovnem sistemu
Navedimo omenjeni epigram v grščini in v prevodu S Weiss (vzeto iz
obsežnega knjižnega dela v treh delih [3])
Μηδὲ σύ γrsquo Αρχύτεω δυσμήχανα ἔργα κυλίνδρων
μηδὲ Μεναιχμείους κωνοτομεῖν τριάδας
διζήσηι μηδrsquo εἴ τι θεουδέος Εὐδόξοιο
καμπύλον ἐν γραμμαῖς εἶδος ἀναγράφεται
Težkih Arhitovih del s cilindri nikar ne posnemaj
stožnic Menajhmovih treh nikdar izsekal ne boš
niti ne boš spoznal če božanskega črte Evdoksa
res zarišejo lik tak iz zavitih kampil
Videli smo kaj vse se da povedati o neki krivulji če obvladamo in-
finitezimalni račun Seveda nam je to sedaj ko imamo na voljo najnovejše
pripomočke in obsežno ter dostopno matematično literaturo veliko laže
kot je bilo matematikom v 17 stoletju ko so v marsičem še orali ledino
Pomembni znanstveniki rojeni v 17 stoletju
Navedimo nekaj pomembnih znanstvenikov predvsem matematikov fizi-
kov in astronomov ki so se rodili v 17 stoletju Razvrščeni so po letnicah
74
rojstva Veliko podatkov dobimo v [1 5] in na svetovnem spletu
Gilles Personne de Roberval (1602ndash1675)
Pierre de Fermat (1607ndash1665)
Giovanni Alfonso Borelli (1608ndash1679)
Evangelista Torricelli (1608ndash1647)
John Pell (1610ndash1685)
Johann Hevel (1611ndash1687)
Frans van Schooten (1615ndash1660)
Carlo Renaldini (1615ndash1698)
John Wallis (1616ndash1703)
Henry Oldenburg (1618ndash1677)
Michelangelo Ricci (1619ndash1682)
William Brouncker (1620ndash1684)
Edmeacute Mariotte (1620ndash1684)
Jean Picard (1620ndash1682)
Vincenzo Viviani (1622ndash1703)
Reneacute-Franccedilois de Sluse (1622-1685)
Blaise Pascal (1623ndash1662)
Giovanni Domenico Cassini (1625ndash1712)
Robert Boyle (1627ndash1691)
Christiaan Huygens (1629ndash1695)
Isaac Barrow (1630ndash1677)
Ehrenfried Walther von Tschirnhaus (1631ndash1708)
Christopher Wren (1632ndash1723)
Johann Hudde (1633ndash1704)
Robert Hooke (1635ndash1703)
75
William Neile (1637ndash1670)
James Gregory (1638ndash1675)
Philippe de la Hire (1640ndash1719)
Isaac Newton (1643ndash1727)
Olaus Roslashmer (1644ndash1710)
Gottfried Wilhelm Leibniz (1646ndash1716)
Denis Papin (1647ndash1712)
Michel Rolle (1652ndash1719)
Pierre Varignon (1654ndash1722)
Jacob Bernoulli (1655ndash1705)
Edmund Halley (1656ndash1742)
Guillaume Franccedilois Antoine LrsquoHocircpital (1661ndash1704)
David Gregory (1661ndash1708)
Abraham de Moivre (1667ndash1754)
Johann Bernoulli (1667ndash1748)
Jacopo Francesco Riccati (1676ndash1754)
Giulio Carlo Fagnano (1682ndash1766)
Roger Cotes (1682ndash1716)
Reneacute Antoine Reacuteaumur (1683ndash1757)
Greacutegoire de Saint-Vincent (1584ndash1667)
Brook Taylor (1685ndash1731)
Gabriel Daniel Fahrenheit (1686ndash1736)
Colin Maclaurin (1698ndash1746)
Pierre Louis Moreau de Mapertuis (1698ndash1759)
76
Viri
[1] I Asimov Biografska enciklopedija znanosti in tehnike Tehniška za-
ložba Slovenije Ljubljana 1978
[2] J Bair V Henry Sluse ses perles et son algorithme Losanges 14
(2011) str 14ndash18 httphdlhandlenet2268100155 (videno 10
7 2021)
[3] G Kocijančič (urednik) Fragmenti predsokratikov Študentska za-
ložba Ljubljana 2012
[4] G Loria Spezielle algebraische und transscendente ebene Kurven
Teubner Leipzig 1902
[5] U C Merzbach C B Boyer A History of Mathematics John Wiley amp
Sons Hoboken New Jersey 2011
[6] J J OrsquoConnor E F Robertson Reneacute Franccedilois Walter de Sluze MacTu-
tor
httpsmathshistoryst-andrewsacukBiographiesSluze
(videno 10 7 2021)
[7] B von Pape Von Eudoxus zu Uhlhorn Books on Demand Norderstedt
2019
[8] M Razpet Pomnožitev hiperkocke Obzornik mat fiz 68 (2021) št 1
str 1-9
[9] M Razpet in N Razpet Prepogibanje papirja podvojitev kocke in
Slusova konhoida Obzornik mat fiz 67 (2020) št 2 str 41-51
77
[10] Y Renotte Reneacute de Sluze dialogues avec Christiaan Huygens
Bulletin de lrsquouniversiteacute du 3e acircge - Liegravege 23 (2021) 4 strani
httphdlhandlenet22682596400 (videno 10 7 2021)
[11] R F Slusius Mesolabum seu duaelig mediaelig proportionales inter ex-
tremas datas per circulum et ellipsim vel hyperbolam infinitis modis
exhibitaelig Leodii Eburonum Liegravege 1659
[12] R F Slusius Mesolabum seu duaelig mediaelig proportionales inter ex-
tremas datas per circulum et per infinitas hyperbolas vel ellipses et
per quamlibet exhibitaelig ac problematum omnium solidorum effectio
per easdem curvas Leodii Eburonum Liegravege 1668
[13] D Uhlhorn Entdeckungen in der houmlhern Geometrie theoretisch und
practisch abgehandelt Schulzersquosche Buchhandlung Oldenburg 1809
[14] I Vidav Algebra Mladinska knjiga Ljubljana 1972
Avtor se zahvaljuje prof dr Milanu Hladniku za strokovni pregled
copy(2021) Marko Razpet
78
Eratosten je bil nad svojim izumom mesolabuma tako navdušen da je
en primerek baje daroval v nekemu templju sicer pa ga je posvetil kralju
Ptolemaju III (284ndash222 pnš) imenovanemu tudi Ptolemaj Dobrotnik
grško Πτολεμαῖος Εὐεργρέτης
Slika 4 Osnovni elementi Eratostenovega mesolabuma
Sedaj je čas da opišemo Eratostenov mesolabum Njegov je bil sicer
izdelan iz lesa slonove kosti in kovin mi pa si ga bomo ogledali she-
matično geometrijsko uporabljajoč pravokotnike trikotnike daljice pre-
mice točke razmerja in sorazmerja
V ravnini so postavljeni skladni pravokotniki A1B1C1D1 A2B2C2D2 in
A3B3C3D4 s stranicami A1B1 A2B2 in A3B3 na skupni premici na kateri
ostanejo ves čas v nadaljevanju opisanega postopka Vse stranice pra-
vokotnikov pravokotne na to premico imajo dolžino b Dolžina pre-
ostalih stranic ni pomembna Na stranici B3C3 izberemo točko T tako
da je ∣B3T ∣ = a Prvi pravokotnik je negiben preostala dva pa lahko dr-
sita po premici tako da se tretji lahko skrije pod drugega drugi pa pod
prvega S tem lahko gibljiva dva postavimo tako da dobimo daljice dolžin
14
x in y ki skupaj z a in b zadoščajo relaciji (1) Pravokotniki so razdeljeni z
med seboj vzporednimi diagonalami na pravokotne trikotnike (slika 4)
Slika 5 Premik pravokotnikov Eratostenovega mesolabuma
Ko premikamo drugi pravokotnik pod prvega njegova diagonala B2D2
prej ali slej seka stranico B1C1 negibnega pravokotnika denimo v točki
E Ko pa premikamo tretji pravokotnik pod drugega njegova diagonala
B3D3 prej ali slej seka stranico B2C2 drugega pravokotnika denimo v točki
F Cilj premikanja pravokotnikov sem in tja je doseči kolinearnost točk
D1EF in T Kot bomo kmalu videli takrat x = ∣B2F∣ in y = ∣B1E∣ ustrezata
relaciji (1)
Kolinearnost točk D1EF in T dosežemo s postopkom ki mu učeno
rečemo rdquoiteracijardquo Malo premaknemo drugi pravokotnik nato malo tret-
jega pa zopet drugega itd dokler s svojo spretnostjo ne dosežemo zado-
voljive natančnosti V natančni legi označimo u = ∣B1D1∣ v = ∣B2E∣ in
w = ∣B3F∣ Te daljice so med seboj vzporedne (slika 6) in zaradi podob-
nosti trikotnikov A1B1D1 B1B2E in B2B3F ter trikotnikov B1ED1 B2FE in
15
Slika 6 Končna lega pravokotnikov Eratostenovega mesolabuma
B3T F dobimo sorazmerja
bu=y
v=xwy
u=xv=aw
iz katerih sledijo relacije
xw = av xv = yw yv = ux bv = uy
Iz prve druge tretje in četrte dobimo po vrsti
ax=wvwv=xyxy=vuvu=y
b
Sedaj je nedvomno razvidno da je res
ax=xy=y
b
Tako lahko z Eratostenovo napravo najdemo prvo in drugo srednjo ge-
ometrijsko sorazmernico daljic a in b Podobno bi lahko našli tudi več
srednjih geometrijskih sorazmernic daljic a in b
16
So pa matematiki že davno odkrili da se da srednji geometrijski so-
razmernici najti tudi s parabolama Iz relacije (1) namreč sledita preprosti
zvezi
x2 = ay y2 = bx
V prvi spoznamo enačbo parabole ki ima za simetralo ordinatno os gorišče
v točki F(0a4) in vodnico y = minusa4 v drugi pa enačbo parabole ki ima za
simetralo absciso os gorišče v točki G(b40) in vodnico x = minusb4 (slika 7)
Slika 7 Do srednjih geometrijskih sorazmernic s parabolama
Paraboli se sekata v točkah O(00) in A(3radica2b
3radicab2) Konstrukcijo je
odkril Menajhmos grško Μέναιχμος ki je živel v 4 stoletju pnš Prvi je
vpeljal stožnice kot preseke stožca z ravnino Teorijo stožnic je temeljito
obdelal Apolonij iz Perge (265ndash170 pnš) grško Απολλώνιος ὁ Περγαῖος
Njegove knjige so matematiki uporabljali še vse do Newtonovih časov
Prav tako pridemo do srednjih geometrijskih sorazmernic če poiščemo
presečišči parabole x2 = ay z goriščem F(0a4) in vodnico y = minusa4 ter
krožnice x2 + y2 = bx + ay ki ima središče v točki S(b2a2) in premer
17
Slika 8 Do srednjih geometrijskih sorazmernic s parabolo in krožnico
d =radica2 +b2 Parabola in krožnica se sekata v točkah O in A(
3radica2b
3radicab2)
(slika 8) kar potrdi preprost račun Opisano konstrukcijo je obvladal Reneacute
Descartes Menajhmos in Descartes sta pokazala da se z njunima kon-
strukcijama da rešiti problem podvojitve kocke Za b je treba v opisanih
postopkih vzeti 2a Pripomnimo še da je bila starogrška matematika
pretežno matematika razmerij in sorazmerij in tako je bilo še celo vrsto
stoletij Srednjo geometrijsko sorazmernico x daljic dolžin a in b tako
da velja a ∶ x = x ∶ b iz česar sledi x =radicab se da konstruirati z neoz-
načenim ravnilom in šestilom Spomnimo se na višinski izrek v pravokot-
nem trikotniku ki je pravzaprav posledica podobnosti dveh trikotnikov
na katera višina na hipotenuzo razdeli pravokotni trikotnik
Pri dveh srednjih geometrijskih sorazmernicah x in y pa se kot smo
videli pojavi kubični koren ki pa z omenjenima geometrijskima orodjema
ni konstruktibilen To so matematiki dokazali šele v 19 stoletju Do takrat
so problem skušali rešiti na druge načine in pri tem odkrili nove krivulje
tako da njihov trud le ni bil popolnoma zaman Geometrijski objekt bo za
18
nas rdquokonstruktibilenrdquo če se ga da konstruirati z neoznačenim ravnilom in
šestilom
Drugo de Slusovo delo
De Sluse še vedno velja za izjemno učenega človeka nadarjenega za mate-
matiko izumiteljstvo in posploševanje Njegovo ime je še danes povezano
z njegovimi konhoidami in perlami De Slusova konhoida (slika 9) ki ima
implicitno obliko
(xminus c)(x2 +y2)minus2cx2 = 0
je precej natančno obravnavana v članku [9]
Slika 9 Slusova konhoida
Reneacute de Sluse se ni ukvarjal le z matematiko ampak tudi z astronomijo
fiziko naravoslovjem in seveda teologijo Pogosto se je pritoževal nad
omejitvami ki so mu jih nalagale njegove verske in upravne funkcije
Ni veliko eksperimentiral ker za to ni imel posebnega veselja pa tudi
ne tehničnih možnosti Je pa predlagal drugim zlasti Huygensu da naj
naredijo tak ali drugačen eksperiment Z zanimanjem je bral prepovedane
19
knjige N Kopernika G Galileja in J Keplerja ter kritiziral prizadevanja za
obnovitev starih konceptov Pisal je že o ekscentričnosti v zvezi s Soncem
Zdi se da je za svoje izračune uporabljal oba sistema heliocentričnega
in geocentričnega Rad je opazoval zvezdnato nebo Tako v kemiji kot
drugje se je znašel na razpotju Prebral je modne knjige o alkimiji in
celo ponovil poskus sublimacije antimona v belo barvo vendar je bila nje-
gova razlaga odločno korpuskularna saj je uporabljal Boylove zamisli o
strukturi tekočega in trdnega stanja V podporo temu je izvajal poskuse
zamrzovanja različnih raztopin in študiral sestavo lojevca V medicinski
kemiji se je zanimal za zdravilne vode in jih tudi analiziral
V fiziki sta ga je posebej zanimala merjenje temperature in praktična
termometrija Če ne upoštevamo odkritij E Torricellija in B Pascala o
vplivu atmosferskega tlaka na zračni termometer je de Sluse leta 1664
izumil svoj termometer z voščeno kroglico pomešano s peskom ki se je
gibala v stekleni cevi zaprti na dnu napolnjeni s slano vodo tako da je
bila kroglica bolj ali manj potopljena v sredini cevi kar je opisal v pismih
Huygensu Kroglica je označevala vsako spremembo v zraku iz toplejšega
na hladnejše ko se je spuščala ali dvigala Huygens je odgovoril da je
njegov termometer prepočasen vendar je zanesljivejši od drugih istovrst-
nih termometrov ker je manj podvržen vplivu atmosferskega tlaka Žal
ni poznal florentinskega termometra ko je svojim dopisnikom vključno s
Huygensom in Oldenburgom povedal o svojem izumu Florentinski ter-
mometri so pomenili odločilen korak naprej pri merjenju temperature
Bili so prvi ki so omogočali natančne meritve Pred iznajdbo v Firencah
okoli leta 1650 so bili stari modeli zelo približni določali so ali je pred
nami nekaj hladnega ali vročega ne da bi lahko odčitali ali ocenili tem-
peraturo Razlika je v tem da je steklena cev zaprta tako da je vpliv tlaka
20
odpravljen Uporabljali so se predvsem petdesetstopinjski termometri
Taki termometri so večinoma služili za določanje nihanja temperature zra-
ka v zaprtih prostorih in na prostem Oblikovanje termometra je takrat
pomenilo tudi določitev njegove merilne lestvice vendar še brez Celzijevih
ali Fahrenheitovih stopinj Pri tem so bile stopinje enakomerno razpore-
jene med dvema skrajnostma in sicer med nivojem najhladnejše tekočine
pozimi (nizka točka) in nivojem najbolj vroče tekočine poleti (visoka točka)
Zaradi teh zelo relativnih vrednosti je primerjava meritev med dvema ter-
mometroma nezanesljiva Ob upoštevanju pripomb jo je večkrat spreme-
nil in jo ponovno predložil Oldenburgu do leta 1669 ko je R Boyle izrazil
negativno mnenje glede topnosti voska kroglic v slani tekočini Po tem da-
tumu termometer ni bil nikoli več omenjen De Sluse je zboljšal različne
instrumente ure številčnice barometre Ker ga je motilo prerekanje med
raziskovalci glede avtorstva odkritij je po Oldenburgovi smrti leta 1677
končal svojo znanstveno dejavnost
Šele v 18 stoletju so razvijali temperaturne merilne lestvice C Re-
naldini (1694) O C Roslashmer (1702) G Fahrenheit (1717) Reneacute-Antoine
F de Reacuteaumur (1730) in A Celsius (1741) Enota kelvin (K ndash v čast lordu
Kelvinu 1824-1907) osnovna enota mednarodnega sistema enot za tem-
peraturo je bila uvedena šele leta 1954
De Sluse je bil tudi zgodovinar Napisal je knjigo o smrti sv Lam-
berta škofa v Tongresu ki je bil ubit na kraju kamor je sv Hubert njegov
naslednik prenesel sedež svoje škofije Kraj se je kasneje razvil v Liegravege
Druga zgodovinska študija se nanaša na slavnega maastrichtskega škofa
sv Servacija Med de Slusovimi neobjavljenimi rokopisi je tudi zgodovina
Koumllna Pripomnimo še da je sv Hubert zavetnik lovcev matematikov
optikov in kovinarjev
21
O širini de Sluzovih interesov priča raznolikost tem ki so zajete na
več sto straneh njegovega dela neobjavljenih rokopisov ki jih zdaj hrani
Narodna knjižnica Bibliotheque Nationale v Parizu Čeprav se je ukvarjal
predvsem z matematiko njegovi rokopisi obravnavajo tudi astronomijo
fiziko in naravoslovje
De Slusove perle
Po de Slusu so po zaslugi B Pascala (več o tem v [4]) imenovane tudi
krivulje rdquode Slusove perlerdquo to so krivulje ki se v pravokotnem kartezi-
čnem koordinatnem sistemu Oxy izražajo z enačbo
ym = kxn(aminusx)p (2)
Pri tem so eksponenti mn in p naravna števila a in k pa pozitivni kon-
stanti Glede na parnost eksponentovmn in p formalno razlikujemo osem
možnosti od katerih imamo opravka s perlami le v primeru ko je m sodo
število s pravimi perlami pa v primeru ko je m sodo število n in p pa lihi
števili (slika 10) Skupno tem krivuljam so simetričnost glede na os x in
presečišča s to osjo pri x = 0 in x = a De Sluse je po svoje brez uporabe
odvoda izračunal da njegove perle dosegajo lokalne ekstreme največji
odstop od osi x med 0 in a za x = na(n+p)
V teh primerih je ploščina S lika ki ga ograjuje zanka perle enaka
S = 2k1mint
a
0xnm(aminusx)pmdx = 2k1ma(m+n+p)mint
1
0tnm(1minus t)pmdt
Integracijsko spremenljivko x smo zamenjali z novo spremenljivko t prek
relacije x = at da smo dobili obliko ki jo lahko izrazimo z Eulerjevima
22
Slika 10 Primeri de Slusovih perl
funkcijama B in Γ
S = 2k1ma(m+n+p)mB(nm+1pm+1) =
= 2k1ma(m+n+p)mΓ(nm+1)Γ(pm+1)
Γ((n+p)m+2)=
= 2k1ma(m+n+p)mnp
(m+n+p)(n+p)
Γ(nm)Γ(pm)
Γ((n+p)m)
Pri rotaciji okoli osi x ta lik v prostoru opiše telo s prostornino
V =πk2mint
a
0x2nm(aminusx)2pmdx =πk2ma(m+2n+2p)m
int
1
0t2nm(1minust)2pmdt
23
Slika 11 Zasuk de Slusove perle za m = 2n = 3p = 1k = 001 okoli osi x
Integracijsko spremenljivko x smo tudi to pot zamenjali z novo spremenljivko
t prek relacije x = at da smo dobili obliko ki jo lahko izrazimo z Eulerje-
vima funkcijama B in Γ
V =πk2ma(m+2n+2p)mB(2nm+12pm+1) =
=πk2ma(m+2n+2p)mΓ(2nm+1)Γ(2pm+1)Γ((2n+2p)m+2)
=
= 2πk2ma(m+2n+2p)m np
(m+2n+2p)(n+p)Γ(2nm)Γ(2pm)
Γ((2n+2p)m)
Poseben primer de Slusove perle
Natančneje bomo obravnavali de Slusovo perlo samo primer za m = n = 2
p = 1 in k = 1a to se pravi krivuljo K ki ima implicitno enačbo ay2 =
x2(a minus x) To pa zato ker se posamezne točke te krivulje da preprosto
konstruirati z osnovnim geometrijskim orodjem
24
Geometrijska konstrukcija in analitična obravnava
Do posameznih točk T krivulje K pridemo s preprosto geometrijsko kon-
strukcijo (slika 12) V pravokotnem kartezičnem koordinatnem sistemu
Oxy načrtamo premico x = a kjer je a pozitivna konstanta Skozi koordi-
natno izhodišče O potegnemo premico p ki ima enačbo y = tx in preseka
premico x = a v točki A(ata) Parameter t smerni koeficient premice p s
katerim je sorazmerna ordinata točkeA bomo kasneje spreminjali V točki
A na p postavimo pravokotnico q ki seka os x v točki B V B načrtamo na
q pravokotnico r ki seka premico x = a v točki C nazadnje pa skozi C še
pravokotnico s na r Presečišče premic p in s naj bo točka T (xy) Sedaj
bomo izrazili njeni koordinati x in y s parametrom t
Slika 12 Konstrukcija točke T de Slusove perle K
Premica q ima enačbo y = minus(x minus a)t + at in preseka os x v točki B(a +
at20) Premica r ima enačbo y = t(x minus aminus at2) in preseka premico x = a v
točki C(aminusat3) premica s pa enačbo y = minus(xminus a)t minus at3 Koordinati točke
T sta rešitvi sistema enačb
y = tx y = minusxminusat
minusat3
25
Po krajšem računu dobimo
x(t) = a(1minus t2) y(t) = at(1minus t2) (3)
To sta parametrični enačbi krivulje K Ko spreminjamo t po vseh realnih
vrednostih oziroma ko A drsi po premici x = a točka T (xy) opiše krivuljo
K (slika 13) z zanko ki spominja na perlo
Če si mislimo da je parameter t čas enačbi (3) predstavljata sestav-
ljeno gibanje točkaste mase v dveh med seboj pravokotnih smereh v koor-
dinatni ravnini v smeri osi x po pravilu prve enačbe v smeri osi y pa po
pravilu druge enačbe Tirnica takega gibanja je krivulja K Podoben le da
bolj preprost primer imamo tudi pri gibanju točkaste mase pri poševnem
metu
Slika 13 De Slusova perla K
Ko se t spreminja od zelo velikih negativnih vrednosti potuje T po
loku v drugem kvadrantu navzdol in doseže za t = minus1 prvič točko O Za
minus1 le t le 0 opiše lok v četrtem kvadrantu odO do temenaD(a0) za 0 le t le 1
opiše lok v prvem kvadrantu od D do točke O ki jo doseže drugič za t = 1
za t gt 1 pa se spusti po loku v tretjem kvadrantu navzdol
26
Če upoštevamo (3) dobimo
x2(t)(aminusx(t)) = a2(1minus t2)2 sdotat2 = a(at(1minus t2))2 = ay2(t)
To pomeni da je ay2 = x2(aminusx) implicitna enačba krivulje K in da je K al-
gebrska krivulja tretje stopnje Krivulja K je simetrična glede na os x Za
točke ki so zelo blizu koordinatnemu izhodiščuO je člen x3 zanemarljivo
majhen v primerjavi s kvadratnima členoma zato je tam enačba krivulje
K približno ay2 = ax2 oziroma (y minusx)(y +x) = 0 Ta enačba razpade na dve
y = x in y = minusx V točki O ima krivulja tangenti y = x in y = minusx ki se sekata
pravokotno V točki D je tangenta na krivuljo premica x = a Krivulja ima
na zanki dve glede na os x simetrično ležeči lokalno ekstremni točki v ka-
terih je tangenta vzporedna z osjo x To sta točki Mplusmn(2a3plusmn2aradic
39) De
Sluse jih je na svojevrsten način pravilno izračunal čeprav je bilo v nje-
govem času računanje z odvodi še v zametkih Da bi pravilnost ekstrem-
nih točk preverili brez odvoda uporabimo kvadrat ekstremne ordinate ki
je y2M = 4a227 in zapišimo izraz
ay2M minusx2(aminusx) = 4a327minusax2 +x3 = (xminus2a3)2(x+a3)
ki je za 0 lt x lt a nenegativen in enak 0 za x = 2a3 To pomeni da je
tedaj x2(a minus x) le 4a327 in največja ordinata na zanki krivulje je 2aradic
39
najmanjša pa minus2aradic
39 oboje pri x = 2a3 (slika 14)
Z uporabo odvoda gre vse veliko hitreje Ordinata y doseže ekstrem
takrat kot ay2 Zato je vseeno če poiščemo ekstrem enostavnejše funkcije
g(x) = x2(a minus x) = ax2 minus x3 Potreben pogoj za to je g prime(x) = 2ax minus 3x2 = 0
Dobimo stacionarni točki x1 = 0 in x2 = 2a3 Uporabimo še g primeprime(x) = 2aminus6x
Ker je g primeprime(x1) = 2a gt 0 in g primeprime(x2) = minus2a lt 0 ima funkcija g v točki x1 lokalni
minimum ki je enak 0 v točki x2 pa lokalni maksimum ki je enak 4a327
27
Slika 14 Lokalna ekstrema na de Slusovi perli K
Ekstremna točka na zanki kjer je tangenta vzporedna z osjo x je očitno
le v x2 kvadrat ekstremne ordinate je tedaj g(x2)a = 4a227 = 12a281
Ekstremni ordinati sta torej plusmn2aradic
39 pri abscisi 2a3
Abscise 2a3 ni težko geometrijsko konstruirati prav tako tudi ne or-
dinate 2aradic
39 ki je 29 razdalje ∣PminusP+∣ = aradic
3 kjer sta Pminus in P+ presečišči
krožnih lokov s središčema v točkahO inD in polmerom ∣OD ∣ To pomeni
da sta točki Pminus in P+ konstruktibilni
Če bi načrtali celotna krajša krožna loka med Pminus in P+ bi dobili med
njima lečast lik ki so mu nekoč rekli rdquovesica piscisrdquo kar dobesedno pomeni
rdquoribji mehurrdquo Lik je bil zelo znan v srednjeveški sakralni umetnosti
Čeprav v de Slusovem času še niso poznali odvoda funkcije v današn-
jem smislu so že vedeli zahvaljujoč Fermatu da ima funkcija v točki
lokalnega ekstrema vodoravno tangento
28
Spremljajoča parabola
Nastajanje krivulje K spremljajo še nekatere druge bolj ali manj znane
krivulje Najprej si oglejmo kaj dobimo če točko O pravokotno projici-
ramo na premice r in spreminjamo parameter t Dobljena projekcija naj
bo R (slika 15)
V prispevku se pogosto sklicujemo na povezavo med smernima koe-
ficientoma premice in pravokotnice nanjo Koeficienta sta si inverzna in
nasprotna Zato zlahka napišemo enačbo premice r in pravokotnice skozi
O nanjo
y = t(xminusaminusat2) y = minusxt
Njuno presečišče R ima koordinati
x(t) = at2 y(t) = minusat
Z izločitvijo parametra t dobimo y2 = ax kar pomeni da točke R pri spre-
minjanju točkeA po premici x = a opišejo parabolo rdquospremljajočo parabolordquo
ki ima gorišče v točki F(a40) in vodnico v z enačbo x = minusa4
Slika 15 De Slusova perla K in spremljajoča parabola
29
Ogrinjače
Ko drsi točka A po premici x = a premice s ogrinjajo neko krivuljo Ks
Premice s so v točki T krivulje K pravokotne na premice skozi O in T
Njeno enačbo dobimo po standardnem postopku Enačba premic s je
F(xyt) = y +xminusat
+at3 = 0
To je enoparametrična družina premic ki ogrinjajo krivuljo Ks imeno-
vano rdquoogrinjačardquo te družine (slika 16) V vsaki točki ogrinjače se jo dotika
ena premica v različnih točkah različne premice družine Enačbo njihove
ogrinjače v implicitni obliki dobimo tako da iz sistema enačb
Slika 16 De Slusova perla K in ogrinjače Ks Kq Kr
F(xyt) = 0partFpartt
(xyt) = 0
izločimo parameter t Iz enačbe
partFpartt
(xyt) = minus(xminusa)t2 +3at2 = 0
30
dobimo najprej xminusa = 3at4 kar vstavimo v prvo enačbo v sistemu in imamo
y = minus4at3 Dobili smo ogrinjačo v parametrični obliki
x(t) = a(1+3t4) y(t) = minus4at3
Izločimo t in enačba iskane ogrinjače Ks v implicitni obliki je pred nami
27y4 = 256a(xminusa)3
Ker je y dobljene krivulje sorazmeren s potenco (x minus a)34 lahko rečemo
da je ogrinjača premic s četrtkubična parabola
Podobno poiščemo ogrinjačo Kq premic q
F(xyt) = yt +xminusaminusat2 = 0partFpartt
(xyt) = y minus2at = 0
Ogrinjača v parametrični obliki je to pot
x(t) = a(1minus t2) y(t) = 2at
Z izločitvijo parametra t dobimo njeno enačbo v implicitni obliki
y2 = minus4a(xminusa)
Dobljena krivulja Kq je parabola z vodnico x = 2a in goriščem v točki O
(slika 16)
Nazadnje po enakem postopku kot doslej poiščemo še ogrinjačo Kr
premic r
F(xyt) = y minus tx+at +at3 = 0partFpartt
(xyt) = minusx+a+3at2 = 0
Ogrinjača v parametrični obliki je potem
x(t) = a(1+3t2) y(t) = 2at3
31
Z izločitvijo parametra t dobimo njeno enačbo še v implicitni obliki
27ay2 = 4(xminusa)3
Dobljena krivulja Kr je polkubična ali Neilova parabola z ostjo v točki
D(a0) kjer ima vodoravno tangento (slika 16) Krivuljo Ks smo up-
ravičeno imenovali četrtkubična parabola Slednja ima v točki D(a0)
navpično tangento
Edinole premice p od tistih ki sodelujejo v konstrukciji točk krivulje
K nimajo ogrinjače Vse premice p namreč potekajo skozi koordinatno
izhodišče O in očitno ne ogrinjajo nobene krivulje
Nožiščne krivulje
Novo krivuljoHprime dobimo če na tangente dane krivuljeH pravokotno pro-
jiciramo izbrano točko Φ Vse projekcije P nožišča točke Φ na tangentah
krivuljeH sestavljajo krivuljoHprime ki jo imenujemo rdquonožiščnardquo ali rdquopedalna
krivuljardquo krivulje H glede na točko Φ
Beseda rdquopedalenrdquo izhaja iz latinske rdquopedalisrdquo kar pomeni rdquonoženrdquo Os-
novna beseda je rdquopesrdquo v rodilniku ednine rdquopedisrdquo kar pomeni rdquonogardquo Od
tod izvirajo tudi besede rdquopedalordquo rdquopedalarrdquo in rdquopedalinrdquo
Poiščimo nekaj nožiščnih krivulj glede na koordinatno izhodišče O
Najprej za krivuljo K ki je poseben primer de Slusove perle Za odvod
v točki T isinK ki ustreza parametru t dobimo
dy
dx(x) =
y
x(t) =
3t2 minus12t
Enačbi tangente v T in pravokotnice skozi O nanjo pa se glasita
y minusat(1minus t2) =3t2 minus1
2t(xminusa(1minus t2)) y =
2t1minus3t2
x
32
Sekata se v točki P s koordinatama
x(t) =a(t2 minus1)2(1minus3t2)
9t4 minus2t2 +1 y(t) =
2at(t2 minus1)2
9t4 minus2t2 +1 (4)
S tem smo našli parametrični enačbi krivulje Kprime (slika 17) Do implicitne
enačbe je dolga pot prek rezultante dveh polinomov spremenljivke t od
katerih je prvi druge drugi pa pete stopnje Najprej opazimo da je v (4)
yx = 2t(1minus 3t2) kar lahko zapišemo kot p(t) = 3yt2 + 2xt minus y = 0 drugo
enačbo pa zapišemo v obliki q(t) = 2at5 minus 9yt4 minus 4at3 + 2yt2 + 2at minus y = 0
Zaradi enostavnosti smo pisali x in y brez argumenta t Da izločimo pa-
rameter t je treba zapisati rdquorezultantordquo R(p(t)q(t)) polinomov p(t) in
q(t) in jo izenačiti z 0 (glej [14])
R(p(t)q(t)) =
RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR
2a minus9y minus4a 2y 2a minusy 0
0 2a minus9y minus4a 2y 2a minusy
3y 2x minusy 0 0 0 0
0 3y 2x minusy 0 0 0
0 0 3y 2x minusy 0 0
0 0 0 3y 2x minusy 0
0 0 0 0 3y 2x minusy
RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR
= 0
Zadnji stolpec je deljiv z y Ker y = 0 ni del iskane nožiščne krivulje pre-
ostane ko izračunamo determinanto in jo okrajšamo z y in preuredimo
27y2(x2 +y2)2 +4ax(x2 minus9y2)(x2 +y2)minus4a2(x2 minusy2)2 = 0
Rezultat je torej algebrska krivulja šeste stopnje Krivulja je simetrična
glede na abscisno os točka O pa je njena posebna točka Za zelo majhne
x in y prevlada zadnji člen kar pomeni da sta premici y = x in y = minusx v O
tangenti na krivuljo
33
Slika 17 Nožiščna krivulja Kprime krivulje K glede na koordinatno izhodišče
Zanka krivulje Kprime nekoliko spominja na srčnico ali kardioido ki jo
opisujejo točke krožnice ki se brez drsenja kotali po enako veliki krožnici
Krivulja Kprime ima še neomejeni del ki se razteza po drugem in tretjem kvad-
rantu Poglejmo kako potuje točka po krivulji v parametrizaciji (4) ko
parameter t teče po številski premici Za t lt minus1 poteka krivulja po tretjem
kvadrantu pri čemer x(t)rarr minusinfin in y(t)rarr minusinfin ko t rarr minusinfin Pri t = minus1 točka
doseže O v obliki osti ki ima za tangento premico y = x Za minus1 lt t lt 0
potuje točka po četrtem kvadrantu doseže točko D pri t = 0 za 0 lt t lt 1
potuje naprej po prvem kvadrantu in pri t = 1 spet doseže O kjer ima
ost s tangento y = minusx nato nadaljuje pot po drugem kvadrantu pri čemer
x(t)rarr minusinfin in y(t)rarrinfin ko trarrinfin
Nožiščna krivulja malo prej obravnavane krivulje Ks glede na točko O
ni nič drugega kot krivulja K Premice s so namreč tangente na Ks nožišča
točke O na njej pa so točke krivulje K Lahko pa to preverimo z računom
34
tako kot smo poiskali nožiščno krivuljo Kprime za K glede na točko O
Za odvod v poljubni točki na Ks ki ustreza parametru t dobimo
dy
dx(x) =
y
x(t) = minus
1t
Enačbi tangente v tej točki in pravokotnice skozi O nanjo pa se glasita
y +4at3 = minus1t(xminusa(1+3t4)) y = tx
Sekata se v točki s koordinatama
x(t) = a(1minus t2) y(t) = at(1minus t2)
To sta ravno parametrični enačbi krivulje K tako da velja Kprimes =K
Podobno ugotovimo tudi da je premica x = a nožiščna krivulja za para-
bolo Kq Premica x = a je tangenta te parabole v temenu V splošnem je
temenska tangenta parabole kar njena nožiščna krivulja glede na gorišče
Ugotovili smo torej da je nožiščna krivulja krivulje Kr spremljajoča para-
bola krivulje K
Ekstremne točke nožiščne krivulje Kprime
Ekstremne točke na zanki krivulje Kprime dobimo iz odvodov
x(t) =2at(1minus t2)(3t2 +1)(9t4 +2t2 minus3)
(9t4 minus2t2 +1)2
y(t) =2a(t2 minus1)(3t2 +1)(3t4 +6t2 minus1)
(9t4 minus2t2 +1)2
Za t = 0 doseže v točki D(a0) abscisa svojo največjo vrednost Za t = plusmn1
poteka krivulja skozi točko O kjer sama sebe preseka pod pravim kotom
ker je yprime(0) = (yx)(plusmn1) = ∓1
35
Najmanjšo absciso na zanki ima krivulja Kprime v točki ki jo določa para-
meter t za katerega velja pogoj 9t4 +2t2 minus3 = 0 To je bikvadratna enačba
katere realni rešitvi sta tplusmn = plusmnradic
2radic
7minus13 ustrezni točki na krivulji pa
izračunamo z enačbama (4) in dobimo
Xplusmn(a(17minus7radic
7)27plusmnaradic
74radic
7minus17227)
Ekstremni ordinati na zanki ima krivulja takrat za tisto vrednost para-
metra t za katerega velja pogoj 3t4 + 6t2 minus 1 = 0 Realni rešitvi te bi-
kvadratne enačbe sta tplusmn = plusmn(3radic
2minusradic
6) 4radic
36 ustrezni točki na krivulji pa
Yplusmn(a(3minusradic
3)3plusmna 4radic123)
Ker v koordinatah ekstremnih točk nastopajo poleg osnovnih aritmetičnih
operacij le kvadratni in bikvadratni (četrti) koreni so te točke konstruk-
tibilne
Cisoida
Spoznali smo enega od načinov pridobivanja novih ravninskih krivulj iz
danih to je z nožišči izbrane točke na tangentah dane krivulje Krivulji
s tem priredimo nožiščno krivuljo glede na izbrano točko Drug tak pre-
prost način kako iz znanih krivulj dobimo nove je cisoidni način Kako
pa ta poteka
Denimo da sta znani krivulji K1 in K2 ter točka O ki ležijo v isti
ravnini Pri tem sta K1 in K2 taki krivulji da vsaka premica p skozi O
ki seka K1 v neki točki T1 seka tudi K2 recimo v točki T2 (slika 18) Za
vsak T1 označimo na p točko T tako da veljaETHOT =
ETHETHT1T2 Ko T1 potuje po
K1 T opiše krivuljo C ki jo imenujemo cisoida krivulj K1 in K2 glede na
točko O Definicije take cisoide se nekoliko razlikujejo od vira do vira
36
Slika 18 Krivulja C je cisoida krivulj K1 in K2 glede na točko O
Dioklova cisoida s katero rešimo problem podvojitve kocke je cisoida
krožnice x2 + y2 = ax in premice x = a glede na koordinatno izhodišče O
Več o cisoidah in njihovi uporabi je napisanega na primer v [8]
Krivulja K je povezana tudi s polkubično ali semikubno ali Neilovo
parabolo poimenovano po Williamu Neilu (1637ndash1680) Parametrični
enačbi (3) lahko zapišemo v vektorski obliki v standardni bazi kot razliko
kolinearnih vektorjev
r(t) = (x(t)y(t)) =ETHOT = (a(1minus t2)at(1minus t2)) = (aat)minus (at2at3)
Vektor r1(t) = (aat) = (a0)+at(01) je enačba premice x = a v parametrični
obliki vektor r2(t) = (at2at3) pa polkubične parabole ki ima enačbo ay2 =
x3 in ost v točkiO Parameter t geometrijsko pomeni tangens naklonskega
kota premice OA (slika 13)
Premica y = tx poteka skozi koordinatno izhodišče O in seka premico
x = a v točkiA(aat) zato jeETHOA = r1 Ista premica seka polkubično parabolo
P ki ima enačbo ay2 = x3 v točki P (at2at3) tako da jeETHOP = r2 S tem je
ETHPA =
ETHOAminus
ETHOP = r1minus r2 = r To pomeni da je r =
ETHOT =
ETHOAminus
ETHOP Potemtakem
je krivulja K cisoida polkubične parabole P z enačbo ay2 = x3 in premice
37
Slika 19 De Slusova perla K kot cisoidna krivulja
x = a glede na točko O (slika 19)
Neilova parabola in ločna dolžina
Neilova ali polkubična parabola ay2 = x3 je bila v zgodovini matematike
pomembna kot ena prvih krivulj za katero so znali izračunati ločno dolžino
Prav prvi je to znal John Wallis (1616ndash1703) leta 1657
Denimo da nas zanima ločna dolžina `(b) te krivulje nad intervalom
[0b] (slika 20) Znano je da lahko uporabimo formulo za ločno dolžino
krivulje ki je dana v eksplicitni obliki
`(b) = intb
0
radic
1+yprime2dx
Pri tem je y = f (x) enačba krivulje in yprime = f prime(x) V našem primeru je y =
38
Slika 20 Neilova ali polkubična parabola
f (x) = plusmnradicx3a Kratek račun nam da yprime2 = 9x(4a) in
`(b) = intb
0
radic
1+9x4adx
Z uvedbo nove integracijske spremenljivke u z relacijo u2 = 1 + 9x(4a)
dobimo
`(b) =8a9 int
c
1u2du =
8a27
(c3 minus1)
pri čemer je c =radic
1+9b(4a)
Leibnizeva izohrona je krivulja po kateri se je leta 1687 vprašal G W
Leibniz Poiskati je treba v navpični ravnini krivuljo po kateri se brez
trenja giblje točkasta masa ki je podvržena konstantnemu težnostnemu
polju tako da je navpična komponenta njene hitrosti ves čas konstantna
Nalogo je prvi rešil C Huygens nizozemski astronom fizik in matema-
tik znan tudi po odkritju Saturnovega satelita Titana in znamenitih Sat-
urnovih obročev ter po izdelavi prve ure na nihalo kar je bilo za tiste čase
velik napredek v merjenju točnega časa
39
Slika 21 Leibnizeva izohrona
Izhodišče O postavimo v najvišjo točko krivulje (slika 21) V tej točki
je horizontalna hitrost premikajoče se mase m enaka 0 Naj bo v0 njegova
navpična hitrost navzdol Os y je vodoravna os x pa usmerjena navz-
dol Potencialno energijo mase računamo nad izbranim nivojem spodaj V
skladu z načelom ohranitve mehanske energije v času t in času 0 potem
velja12mv2(t)+mg(hminusx(t)) =
12mv2
0 +mgh
Pri tem je g težni pospešek Po poenostavitvi dobimo v2(t) = 2gx(t)+ v20
Vektor hitrosti ima v vsakem trenutku med seboj pravokotni komponenti
v(t) = (x(t) y(t)) za t = 0 pa v(0) = (v00) Upoštevamo da je ∣v(t)∣2 =
v2(t) = x2(t) + y2(t) in da je x(t) = v0 pa imamo sistem diferencialnih
enačb
x(t) = v0 y(t) =radic
2gx(t)
ki ga rešimo pri začetnih pogojih x(0) = y(0) = 0 in dobimo
x(t) = v0t y(t) =23
radic2gv0t3
40
Koordinati točk na dobljeni krivulji zadoščajo enačbi
ay2 = x3 a =9v2
0
8g
Pri dani konstanti a je v0 = (23)radic
2ag Iskana krivulja je torej Neilova
parabola Ime izohrona je dobila zato ker točkasta masa po vertikali
v enakih časih prepotuje enake razdalje V grščini beseda ἴσος pomeni
rdquoenakrdquo χρόνος pa rdquočasrdquo
Dolžina ` zanke krivulje K nas pripelje do zapletenega eliptičnega in-
tegrala za katerega zapišimo približno vrednost
` = 2aint1
0
radic9t4 minus2t2 +1dt ≐ 271559186a
Pač pa je dolžina loka ` četrtkubične parabole Ks ogrinjače premic s bolj
prijazna Za dolžino loka od točke D ki ustreza parametru t = 0 do točke
ki ustreza parametru t = α dobimo
` = 12aintα
0t2
radic1+ t2dt =
3a2
(α(1+2α2)radic
1+α2 minus ln(α +radic
1+α2))
Prav tako dolžina loka ` navadne parabole Kq ogrinjače premic q ne
dela težav Za dolžino loka od točke D ki ustreza parametru t = 0 do
točke ki ustreza parametru t = α dobimo
` = 2aintα
0
radic1+ t2dt = a(α
radic1+α2 + ln(α +
radic1+α2))
Za spremljajočo parabolo dobimo prav tako enostaven rezultat za ločno
dolžino od točke O do točke ki ustreza parametru t = α
` = intα
0
radic1+4t2dt =
a4(2α
radic1+4α2 + ln(2α +
radic1+4α2))
Nazadnje zapišimo še ločno dolžino polkubične parabole Kr
` = 6aintα
0tradic
1+ t2dt = 2a((1+α2)radic
1+α2 minus1)
41
Pri vseh zgornjih primerih je parameter t strmina premice p v prvotni
konstrukciji krivulje K
Ploščine in prostornine
Ploščina S lika ki ga omejuje zanka krivulje K je
S =2radica int
a
0xradicaminusxdx
Z uvedbo nove integracijske spremenljivke t z relacijo aminusx = t2 je
S =4radica int
radica
0t2(aminus t2)dt =
4radica int
radica
0(at2 minus t4)dt =
8a2
15
Lahko pa jo izrazimo tudi s splošno formulo ki smo jo izpeljali na začetku
razdelka S to formulo lahko izrazimo še prostornino V telesa ki ga pri
rotaciji okoli osi x opiše lik
V =πa int
a
0x2(aminusx)dx =
πa3
12
To je ravno polovica prostornine krogle s premerom a
Pač pa je izraz za ploščino S prime lika ki ga omejuje zanka krivulje Kprime bolj
zapleten izraz Uporabimo parametrični enačbi (4) in dobimo
S prime = int1
0(x(t)y(t)minus x(t)y(t))dt = 2a2
int
1
0
(1minus t2)3(1+2t2 minus3t4)(9t4 minus2t2 +1)2 dt
Če se zanesemo na računalniško računanje določenih integralov potem je
S prime =2a2
729(3(43πminus28)+52
radic2ln(1+
radic2))
kar je približno S prime ≐ 1059206796a2 Do enakega rezultata pridemo z
navidez enostavnejšo formulo
S prime = 2inta
0y(x)dx
42
toda drugim težjim integralom
S prime = 2int0
1y(t)x(t)dt = minus8a2
int
1
0
t2(1minus t2)3(3t2 +1)(9t4 +2t2 minus3)(9t4 minus2t2 +1)3 dt
Zakaj smo integrirali po parametru t od 1 do 0 Zato ker abscisa x narašča
od 0 do a ko t pada od 1 do 0 Ordinata y pa je pri tem nenegativna (glej
izraza (4))
Tudi izraz za prostornino V prime telesa ki ga pri rotaciji okoli osi x opiše
lik omejen s Kprime je navidez enostaven
V prime =πinta
0y2(x)dx
toda s parametrom t je zapleten a eksaktno izračunljiv
V prime =πint0
1y2(t)x(t)dt = 8πint
1
0
t3(t2 minus1)5(3t2 +1))(9t4 +2t2 minus3)(9t4 minus2t2 +1)4 dt
Za rezultat dobimo
V prime =2πa3
19683(431π
radic2+369+744ln2)
kar je približno V prime ≐ 08936800975a3
Naj bo s tem računanja integralov dovolj V nadaljevanju se bomo
posvetili nekaterim lažjim problemom
Tangenta
Pri krivuljah v koordinatnem sistemu Oxy so pomembni štirje dotikalni
elementi za posamezne točke T odsek na tangenti ∣TA∣ odsek na normali
∣T B∣ subtangenta ∣AT prime∣ in subnormala ∣BT prime∣ (slika 23) Izražajo se takole
∣TA∣ = ∣y
yprime
radic
1+yprime2∣ ∣T B∣ = ∣yradic
1+yprime2∣ ∣T primeA∣ = ∣y
yprime∣ ∣T primeB∣ = ∣yyprime∣
43
Slika 22 Ploščini likov omejenih z zankama krivulj K in Kprime
Pri tem pomeni yprime = f prime(x) če je enačba krivulje y = f (x) Točka T prime je pra-
vokotna projekcija točke T na abscisno os A je presečišče tangente na
krivuljo v točki T z osjo x B pa presečišče normale z osjo x Dotikalni
elementi so posebej definirani tudi za krivulje v polarnih koordinatah
Slika 23 Dotikalni elementi krivulje
De Sluse je za algebrsko krivuljo f (xy) = 0 po svoje našel izraz za sub-
tangento ts to je pravokotno projekcijo odseka na tangenti
44
na os x V današnji pisavi se subtangenta izraža v obliki
ts = minusy
partfparty (xy)
partfpartx (xy)
Za krivuljo K je f (xy) = ay2 minusx2(aminusx) = 0 in
ts =2x(xminusa)3xminus2a
Lotimo se še konstrukcije tangente t in normale n naK v točki T0(x0y0) ne
O ki enolično določa točko A(aay0x0) kot presečišče premice p skozi O
in T0 s premico x = a Skozi A povlecimo vzporednico nprime z normalo n na K
v točki T0 Normala ima smerni koeficient kn = tsy0 oziroma
kn =
partfparty (x0y0)
partfpartx (x0y0)
=2ay0
x0(3x0 minus2a)
Premica nprime ima enačbo
y minusay0
x0=
2ay0
x0(3x0 minus2a)(xminusx0)
in preseka abscisno os v točki T1(x10) za katero po krajšem računu do-
bimo x1 = 2a minus 3x02 Točko T1 in premico nprime zlahka geometrijsko kon-
struiramo Iskana tangenta t v točki T0 je pravokotna na nprime normala n pa
vzporedna z nprime (slika 24)
Inverzija krivulje K na krožnici
Po navadi za ravninske krivulje pogledamo še njihove inverzne slike na
krožnici Inverzija ali zrcaljenje na krožnici x2 + y2 = r2 je ravninska pres-
likava ι definirana s predpisom
ι ∶ (xy)↦ (r2x
x2 +y2 r2y
x2 +y2)
45
Slika 24 Tangenta in normala na krivuljo K
S spreminjanjem polmera r krožnice dobimo med seboj podobne krivulje
Če zrcalimo na krožnici x2 + y2 = a2 krivuljo K ki ima implicitno enačbo
(2) dobimo krivuljo Klowast ki ima enačbo
y4 = minusx3(aminusx)
ki je formalno oblike (2) zam = 4n = 3p = 1 in k = minus1 Dobljena krivuljaKlowast
je simetrična glede na os x ima dve veji abscisa na njej doseže ekstremni
vrednosti v točkah O(00) in D(a0) Ima pa kot bomo videli tudi dve
asimptoti y = xminusa4 in y = minusx+a4 (slika 25)
Krivuljo Klowast se da lepo parametrizirati s parametrom τ če v njeno
enačbo y4 = minusx3(aminusx) vstavimo y = τx Dobimo
x(τ) =a
1minusτ4 y(τ) =aτ
1minusτ4
To sta parametrični enačbi krivulje Klowast
Ko τ uarr minus1 x(τ)rarr minusinfin in y(τ)rarr +infin ko τ darr minus1 x(τ)rarr +infin in y(τ)rarr minusinfin
ko τ uarr +1 x(τ)rarr +infin in y(τ)rarr +infin ko τ darr +1 x(τ)rarr minusinfin in y(τ)rarr minusinfin
46
Slika 25 Inverzna slika Klowast krivulje K
Konstanti k in n poševne asimptote y = kx + n krivulje Klowast dobimo s
formulama
k = limxrarrplusmninfin
y
x n = lim
xrarrplusmninfin(y minus kx)
V našem primeru je
k = limxrarrplusmninfin
y
x= limτrarrplusmn1
τ = plusmn1 n = a limτrarrplusmn1
τ ∓11minusτ4 = ∓
a4
Poševni asimptoti sta torej premici y = plusmn(xminusa4)
Obnašanje krivulje v okolici točke D utemeljimo če zapišemo impli-
citno obliko krivulje nekoliko drugače
y4 = (xminusa)x3 = (xminusa)(a+(xminusa))3 = a3(xminusa)+3a2(xminusa)2+3a(xminusa)3+(xminusa)4
47
Slika 26 Krivulja Klowast in približka v okolici točk O in D
Za x ki je zelo blizu a prevlada na desni prvi člen tako da je y4 asymp a3(xminusa)
Razlika xminusa se torej obnaša približno tako kot bikvadrat ordinate y
V okolici točke O kjer so abscise negativne iz istega razloga velja y4 asymp
minusax3 zato se tam krivulja obnaša približno tako kot četrtkubična parabola
(slika 26)
Inverzija krivulje Kprime na krožnici
Na krožnici x2 + y2 = a2 zrcalimo še krivuljo Kprime nožiščno krivuljo krivulje
K glede na točko O Dobimo dvodelno krivuljo Kprimelowast kakršno vidimo na
sliki 27
Enačba nove krivulje v implicitni obliki je
4(x2 minusy2)2 minus4ax(x2 minus9y2)minus27a2y2 = 0
48
Slika 27 Inverzna slika Kprimelowast krivulje Kprime
Krivulja je algebrska četrte stopnje je simetrična glede na os x ima ost
z vodoravno tangento v točki O skozi točko D pa poteka v blagem loku
Natančneje ugotovimo približni potek krivulje v okolici teh dveh točk če
v zgornji enačbi obdržimo prevladujoče člene V okolici točke O kjer so
abscise negativne je ay2 asymp minus4x327 torej približno tako kot polkubična
parabola V okolici točke D(a0) je y2 asymp minus4a(x minus a) kar pomeni da se
krivulja obnaša približno tako kot parabola
Pritisnjeni krožnici na K
Pritisnjeni krožnici v točki O na krivuljo K sta inverzni sliki asimptot
krivulje Klowast na krožnici x2 + y2 = a2 Preprost račun pokaže da se asimp-
toti krivulje Klowast z inverzijo ι preslikata v krožnici x2 + y2 plusmn4ay minus4ax = 0 ki
imata središči v točkah Splusmn(2aplusmn2a) in polmer 2aradic
2 Sekata se pavokotno
v točkah O in M(4a0) Inverzija ι namreč ohranja kote (slika 28)
49
Slika 28 Pritisnjeni krožnici na krivuljo K v točki O
Ukrivljenost κ(t) krivulje K v točki ki ustreza parametru t brez težav
izračunamo iz njenih parametričnih enačb (3)
κ(t) =2(3t2 +1)
a(1minus2t2 +9t4)32
V posebnem primeru je v točki O to se pravi za t = plusmn1 ukrivljenost enaka
κ(plusmn1) = 1(2aradic
2) zato sta v O polmera pritisnjenih krožnic 1κ(plusmn1) =
2aradic
2 kar se seveda ujema z rezultatom dobljenim z inverzijo na krožnici
Toksoida
Videli smo da je inverzna slika krivulje K krivulja Klowast ki ima enačbo y4 =
minusx3(aminusx) ki je formalno oblike (2) zam = 4n = 3p = 1 in k = minus1 Prav tako
je krivulja ay2 = minusx2(aminus x) ki jo dobimo iz enačbe ay2 = x2(aminus x) krivulje
K če zamenjamo aminus x z x minus a formalno oblike (2) za m = 2n = 2p = 1 in
50
k = minus1a Krivuljo označimo jo s T ki ima enačbo
ay2 = x2(xminusa)
je nemški amaterski matematik samouk in izumitelj Diedrich (tudi Diede-
rich) Uhlhorn (1764ndash1837) imenoval rdquotoksoidardquo V svojem delu [13] obrav-
nava več krivulj in za nekatere tudi opiše mehanske naprave s katerimi
se jih da risati pa tudi njihovo uporabo pri reševanje enačb Beseda rdquotok-
soidardquo izvira iz dveh grških τόξον kar pomeni rdquolokrdquo (kot orožje) pa tudi
rdquopuščicardquo in εἶδος kar med drugim pomeni rdquooblika podobardquo D Uhlhorn
je imenoval krivuljo v nemščini rdquoBogenlinierdquo ker nemški samostalnik rdquoBo-
genrdquo pomeni prav tako rdquolokrdquo Iz besede τόξον smo dobili tudi besede ki
so povezane s strupi kajti bojne puščice so bile često zastrupljene
Slika 29 Toksoida
Toksoida ima tudi izolirano točkoO(00) saj njeni koordinati zadoščata
implicitni enačbi
Iz implicitne enačbe toksoide dobimo z zamenjavo y = tx njeni parametri-
čni enačbi
x(t) = a(1+ t2) y(t) = at(1+ t2) (5)
ki pa ne vključujeta izolirane točke O
51
Toksoida je algebrska krivulja tretje stopnje simetrična glede na os x
ki jo preseka za t = 0 v točki D(a0) kjer ima navpično tangento Krivulja
na prvi pogled ni nič posebnega a že D Uhlhorn je pokazal kako se kon-
struira njene posamezne točke in kako se z njo podvoji kocko
Slika 30 Konstrukcija točk toksoide
Do točke T na toksoidi pridemo takole V koordinatnem sistemu Oxy
za pozitiven a določimo točko D(a0) in skoznjo konstruiramo pravokot-
nico na os x torej premico x = a (slika 30) Na tej premici izberemo točko
A ki jo bomo spreminjali da bomo dobili krivuljo Skozi O in A nato
načrtamo premico p v A pa nanjo pravokotnico q ki seka abscisno os v
točki B V B postavimo na abscisno os pravokotnico r ki preseka premico
p v točki T Ko A potuje po premici x = a točka T opiše toksoido T brez
izolirane točke O
Da res dobimo toksoido T je treba samo zapisati enačbi y = tx premice
p in y = minus(x minus a)t + at premice q ter točki A(aat) in B(a(1 + t2)0) ter
T (a(1+t2)at(1+t2)) Koordinati točke T pa res dasta paramatrični enačbi
52
toksoide
Slika 31 Konstrukcija srednjih geometrijskih sorazmernic s toksoido
Iz podobnih trikotnikov ODA OAB in OBT na sliki 30 sledi relacija
∣OD ∣
∣OA∣=∣OA∣
∣OB∣=
∣OB∣∣OT ∣
kar pomeni da sta ∣OA∣ in ∣OB∣ srednji geometrijski sorazmernici daljic
∣OD ∣ = a in ∣OT ∣ = b Zato lahko izrazimo ∣OA∣ =3radica2b in ∣OB∣ =
3radicab2 na isti
način kot pri (3)
Če imamo že načrtano toksoido T potem srednji geometrijski sorazmer-
nici za a in b gt a dobimo tako da poiščemo presečišče T krožnice s sredi-
ščem v O skozi točko C(b0) in na zgoraj opisan način poiščemo premice
pq in r ter točki A in B (slika 31) Za b = 2a na ta način rešimo problem
podvojitve kocke ∣OA∣ = a 3radic
2
Ukrivljenost κ(t) toksoide T v točki ki ustreza parametru t brez težav
53
izračunamo iz njenih parametričnih enačb (5)
κ(t) =2(3t2 minus1)
a(1+10t2 +9t4)32
Opazimo da ukrivljenost menja predznak pri t = plusmn1radic
3 kar nam da točki
Pplusmn(4a3plusmn4aradic
39) v katerih ima T prevoja s tangentama s smernima koe-
ficientoma plusmnradic
3 Tangenti oklepata z osjo x kota plusmnπ3 Pritisnjena krožnica
v točki D ki ustreza t = 0 ima za polmer 1∣κ(0)∣ = a2 in središče v točki
S(3a20) (slika 32)
Slika 32 Prevoja toksoide T in pritisnjena krožnica v točki D
Prevoja sta konstruktibilna pri čemer si lahko pomagamo z vesico pis-
cis nad daljico OD Njeni točki Vplusmn sta narazen za aradic
3 premici skozi O
in Vplusmn pa določata smeri tangent v prevojih Prav tako je konstruktibilna
točka S V okolici točk D in Pplusmn je ujemanje toksoide s pritisnjeno krožnico
v D in tangentama v prevojih Pplusmn zelo dobro
54
Enačba toksoide T v polarnih koordinatah in ϕ je
(ϕ) =a
cos3ϕ
kar sledi iz njene implicitne oblike
a(x2 +y2) = x3
Pri tem je treba le upoštevati zvezi x2 +y2 = 2 in x = cosϕ
Polarna oblika je zelo primerna za študij inverzije na krožnici s središčem
v točki O in polmerom R Če je namreč lowast polarni polmer invertirane
krivulje mora veljati relacija
(ϕ)lowast(ϕ) =R2
Če izberemo R = a dobimo za inverzno sliko toksoide T krivuljo (slika 33)
T lowast ki ima nasledno enačbo v polarnih koordinatah
lowast(ϕ) = acos3ϕ
Slika 33 Inverzna slika T lowast toksoide T
55
Iz polarne oblike krivulje T lowast hitro izpeljemo še njeno implicitno enačbo
(x2 +y2)2 = ax3
Torej je T lowast algebrska krivulja četrte stopnje
Ploščino S lika ki ga ograjuje krivulja T lowast izračunamo po znani for-
muli
S = 2 sdot12 int
π2
0lowast2(ϕ)dϕ = a2
int
π2
0cos6ϕdϕ = a2 sdot
56
sdotπ2=
5πa2
32
Krivulja T lowast je simetrična glede na os x v točkah O in D ima navpični
tangenti največji odklon od osi x pa doseže v točkah Yplusmn(9a16plusmn3aradic
316)
kjer ima vodoravni tangenti in sicer pri polarnih kotih plusmnπ6
De Slusove pomnoževalke hiperkock
Podvojitev kocke je kot vemo klasični grški geometrijski problem ki se ga
ne da rešiti evklidsko to je samo z neoznačenim ravnilom in šestilom kar
so dokazali šele v 19 stoletju Problem zahteva določiti rob kocke ki ima
prostornino enako dvakratniku prostornine dane kocke To pomeni da
je treba za dano daljico a konstruirati tako daljico b za katero je b = a 3radic
2
Problem podvojitve kocke so Grki znali rešiti na več načinov Eden od njih
je možen s posebno ravninsko krivuljo z Dioklovo cisoido (več na primer
v [7])
Povsem smiselno se je vprašati kako bi pomnožili s faktorjem s gt 0
poljubno r-razsežno hiperkocko z robom a Njena prostornina je ar zato
je b = a rradics rob hiperkocke katere prostornina je s-kratnik prostornine
hiperkocke z robom a Dva primera sta trivialna Za r = 1 imamo daljico
56
njena rdquoprostorninardquo je kar njena dolžina a za r = 2 pa kvadrat čigar rdquopros-
torninardquo je kar njegova ploščina a2 Za r = 3 imamo opraviti z običajno
kocko z običajno prostornino a3 V prvih dveh primerih množenje s fak-
torjem s ni problematično saj s problemom lahko geometrijsko rešimo s
podobnimi trikotniki in z višinskim izrekom v pravokotnem trikotniku
Za r ge 4 si r-razsežno hiperkocko teže predstavljamo ker je ne moremo
realizirati z običajno geometrijo To pa ni ovira pri pomnožitvi take hiper-
kocke s številom s ker moramo znati samo njen rob a geometrijsko pom-
nožiti s številom rradics kar pa lahko naredimo v običajni ravnini V mate-
matični analizi je r-razsežna hiperkocka z robom a na primer kar r-kratni
kartezični produkt intervala [minusa2a2] s samim seboj to je množica
[minusa2a2]r = (x1x2 xr) isinRr ∶ ∣x1∣ le a2 ∣x2∣ le a2 ∣xr ∣ le a2
Oglejmo si de Slusove perle (2) z eksponenti mn =mminus 1 in p = 1 fak-
torjem k = 1 ter a gt 0 pri čemer je m sodo število to se pravi krivulje z
implicitno enačbo
ym = xmminus1(aminusx) (6)
oziroma xm + ym = axmminus1 Pri danem m označimo ustrezno krivuljo s Hm
Med njimi je tudi stara znanka x2 + y2 = ax krožnica s polmerom a2
in središčem v točki S(a20) Skupne vsem krivuljam so točke O(00)
Cplusmn(a2plusmna2) D(a0) ter navpični tangenti v O in D Krivulje Hm so za-
ključene in simetrične glede na os x in se dajo lepo parametrizirati z y = tx
Za vsako dobimo parametrično enačbo
x(t) =a
1+ tm y(t) =
at1+ tm
(7)
Najbolj se taka krivulja oddalji od abscisne osi za t = 1 mradicmminus1 v točkah
Yplusmn(a(mminus1)mplusmnam mradic
(mminus1)mminus1) Za t = 0 dobimo točko D za ∣t∣rarrinfin pa
57
se krivulja bliža točki O Slika 34 kaže nekaj primerov
Slika 34 Nekaj krivulj Hm
Naj bo s poljubno pozitivno število in A(0as) točka na osi y Premica
skozi A in D preseka krivuljo Hm v točkah D(a0) in B(x0y0) za katero
potrebujemo samo razmerje y0x0 Na sliki 35 je izbran eksponent m = 4
Premica skozi A in D ima enačbo xa+sya = 1 iz katere izrazimo aminusx = sy
in vstavimo v enačbo (6) Dobimo ym = ysxmminus1 Ker iščemo točko B s
pozitivno ordinato lahko z y krajšamo in dobimo y0x0 =mminus1radics
Premica skozi O in B ima enačbo y = y0xx0 in preseka premico x = a
v točki C(aay0x0) oziroma C(aa mminus1radics) Zato je ∣DC∣ = ∣OD ∣ mminus1
radics) V
primeru m = 4 in s = 2 je ∣DC∣ = ∣OD ∣3radic
2) kar pomeni da se nam je pos-
rečilo podvojiti trirazsežno kocko Za s = 3 kocko potrojimo za s = 4
početverimo itd Še več zam = 6 in s = 2 podvojimo 5-razsežno hiperkocko
58
za s = 3 jo potrojimo za s = 4 početverimo itd
Slika 35 Krivulja H4 in pomnožitev roba trirazsežne kocke
Lihih m nam ni treba posebej obravnavati ker krivulje Hm ne bi bile
prave de Slusove perle Poleg tega bi tedaj bil mminus 1 sodo število denimo
m minus 1 = 2αq z naravnim α in lihim q Korenjenje se potem da izvesti z
α-kratnim kvadratnim korenjenjem in enim q-tim korenjenjem s krivuljo
Hq+1 kakor smo zgoraj opisali
Drug način za pomnožitev hiperkock poteka s cisoidami Cm krivuljHm
in premice x = a Pri parametru t premica y = tx preseka premico x = a
v točki C(aat) točka B pa ima tedaj koordinati dani z parametričnima
enačbama (7) S koordinatami točk B in C imamo takoj
ETHBC = (aminus
a1+ tm
at minusat
1+ tm) = (
atm
1+ tmatm+1
1+ tm)
59
Slika 36 Nekaj krivulj Cm
Da bo točka T na cisoidi Cm mora veljati zvezaETHOT =
ETHBC Potemtakem ima
Cm parametrični enačbi
x(t) =atm
1+ tm y(t) =
atm+1
1+ tm (8)
Ker je t = yx dobimo še implicitno enačbo krivulje Cm
xm+1 = ym(aminusx) (9)
oziroma x(xm+ym) = aym Krivulje so za sodem definirane nad intervalom
60
[0a) so simetrične glede na os x imajo za asimptoto premico x = a in
potekajo skozi koordinatno izhodišče O in točki Cplusmn(a2plusmna2) Asimptoti
se krivulja bliža ko ∣t∣ rarr infin V točki O pri t = 0 imajo ost z vodoravno
tangento Za m = 2 dobimo staro znanko Dioklovo cisoido
Slika 37 Krivulja C4 in pomnožitev roba 5-razsežne hiperkocke
Izberimo sedaj na ordinatni osi točko A(0as) pri čemer je s pozi-
tivno število in vzemimo premico skozi točki A in D (slika 37) Ta ima
enačbo xa + y(as) = 1 iz katere izrazimo a minus x = ys Premica preseka
cisoido Cm v točki M(x0y0) s pozitivno ordinato Iz enačb premice skozi
A in D in (9) dobimo y0x0 = m+1radics Premica skozi točki O in M ima
enačbo y = y0xx0 in preseka premico x = a v točki E(aa m+1radics) Torej velja
61
zveza ∣DE∣ = ∣OD ∣ m+1radics kar pomeni da smo našli rob (m + 1)-razsežne
hiperkocke ki ima za prostornino s-kratnik prostornine dane (m + 1)-
razsežne hiperkocke
Naj bo Sm ploščina lika ki ga omejuje krivulja Hm in Qm ploščina
neomejenega lika ki ga omejuje krivulja Cm z asimptoto Ni ju težko
izraziti
Pm =a2(mminus1)πm2 sin π
m Qm =
a2(m+1)πm2 sin π
m
Nadalje naj bo Vm prostornina telesa ki nastane z rotacijo krivulje Hm
okoli osi x Wm pa prostornina neomejenega telesa ki nastane z rotacijo
krivulje Cm okoli osi x Prav tako ju ni težko izraziti
Vm =2a3(mminus1)(mminus2)π2
3m3 sin 2πm
Wm =2a3(m+1)(m+2)π2
3m3 sin 2πm
Ploščine in prostornine so poleg drugega zanimale že matematike v
17 stoletju zlasti C Huygensa Izračunajmo prostornino telesa Um ki
nastane z rotacijo lika med cisoido in njeno asimptoto okoli te asimptote
(slika 38) Uporabili bomo sodobne zapise in Eulerjevi funkciji B in Γ ki
ju C Huygens še ni mogel poznati Presek nastalega telesa na višini y je
krog s polmerom aminusx in ploščino π(aminusx)2 Upoštevamo še simetrijo lika
glede na os x uporabimo parametrično obliko (8) in nastavimo integral
Um = 2πintinfin
0(aminusx(t))2y(t)dt = 2πa3
int
infin
0
tm(tm +m+1)(1+ tm)4 dt
ki ga lahko izrazimo v obliki
Um = 2πa3(I2 + (mminus1)I3 minusmI4)
pri čemer je
Ik = intinfin
0
dt
(1+ tm)k
62
ki ima za m ge 2 in k ge 1 končno vrednost S substitucijo u = 1(1 + tm)
dobimo
Ik =1m int
1
0ukminus1minus1m(1minusu)1mminus1du =
1m
B(kminus1m1m) =Γ(k minus1m)Γ(1m)
mΓ(k)
Na koncu je rezultat zelo preprost
Um =2π2a3(m2 minus1)
3m3 sin πm
Prve tri prostornine so
U2 =π2a3
4 U4 =
5radic
2π2a3
32 U6 =
35π2a3
162
Slika 38 Telo nastalo z zasukom lika med krivuljo C2 in njeno asimptoto
okoli te asimptote
Izračunajmo prostornino telesa Um ki nastane z rotacijo lika med cisoido
in njeno asimptoto okoli osi y (slika 39) Presek nastalega telesa na višini y
63
je krožni kolobar z notranjim polmerom x in zunanjim polmerom a ki ima
ploščino π(a2minusx2) Upoštevamo še simetrijo lika glede na os x uporabimo
parametrično obliko (8) in nastavimo integral
Um = 2πintinfin
0(a2 minusx2(t))y(t)dt = 2πa3
int
infin
0
tm(tm +m+1)(2tm +1)(1+ tm)4 dt
ki ga lahko izrazimo z zgoraj vpeljanimi integrali Ik v obliki
Um = 2πa3(2I1 + (2mminus3)I2 minus (3mminus1)I3 +mI4)
Na koncu dobimo za rezultat
Um =2π2a3(m+1)(2m+1)
3m3 sin πm
Prve tri prostornine so
U2 =5π2a3
4 U4 =
15radic
2π2a3
32 U6 =
91π2a3
162
V 17 stoletju so se zanimali tudi za težišča homogenih likov in teles
Lik ki ga omejuje krivulja Hm ima težišče na abscisni osi oddaljen za xT
od osi y Da bi lahko poiskali xT moramo najprej izračunati za ta lik
moment
Mm = 2inta
0xy dx = 2int
0
infinx(t)y(t)xdt = 2a3mint
infin
0
tm
(1+ tm)4 dt
Izrazimo z integrali Ik in dobimo
Mm = 2a3m(I3 minus I4) =πa3(mminus1)(2mminus1)
3m3 sin πm
Abscisa težišča lika je potem kvocient momenta Mm in ploščine Sm
xT =(2mminus1)a
3m
64
Slika 39 Telo nastalo z zasukom lika med krivuljo C2 in njeno asimptoto
okoli osi y
Lik omejen s krivuljo Cm ima težišče na abscisni osi oddaljen za xC
od osi y Da bi poiskali xC uporabimo kar PaposndashGuldinovo pravilo za
prostornino vrtenine
2πxC sdotQm = Um
kjer je Qm ploščina lika ki ga rotiramo okoli osi y Rezultat je proti vsem
pričakovanjem zelo preprost
xC =(2m+1)a
3m
Poznoantični matematik Papos iz Aleksandrije (290ndash350) v grščini Πάπ-
πος ὁ Αλεξανδρεύς v latinščini Pappus je pomemben ker je zbral prak-
tično vse dotakratno matematično znanje Grkov in dodal še marsikaj svo-
65
jega Njegovo najpomembnejše delo je rdquoZbirkardquo v grščini Συναγωγή Uk-
varjal se je tudi s klasičnimi grškimi geometrijskimi problemi
Jezuit Paul Guldin (1577ndash1643) je bil švicarski matematik in astronom
profesor matematike na Dunaju in v Gradcu Pred tem je študiral v Rimu
Skupaj s Paposom je znan
po pravilih za izračun prostornine rotacijskega telesa in površine rotacij-
ske ploskve
Slika 40 Telo nastalo z zasukom lika ki ga omejuje H4 okoli osi y
ProstorninaXm vrtenine ki nastane z rotacijo lika omejenega s krivuljo
Hm okoli osi y je po PaposndashGuldinovem pravilu za prostornino enaka
Xm = 2πxT sdot Pm = 2π(2mminus1)a
3msdota2(mminus1)πm2 sin π
m=
2π2a3(2mminus1)(mminus1)3m3 sin π
m
Slika 40 kaže vrtenino za primer krivulje H4 Podobne slike bi dobili tudi
za druge Hm
Če isti lik rotiramo okoli premice x = a tangente na krivuljo Hm v
točki D dobimo vrtenino s prostornino Ym ki jo izračunamo prav tako
66
po PaposndashGuldinovem pravilu za prostornino in dobimo
Ym = 2π(aminusxT ) sdot Pm = 2π(m+1)a
3msdota2(mminus1)πm2 sin π
m=
2π2a3(m2 minus1)3m3 sin π
m
Opazimo da je prostornina Ym enaka prostornini Um telesa ki nastane
z rotacijo lika med krivuljo Cm in njeno asimptoto okoli te asimptote
Dokler ni bil razvit infinitezimalni račun kakršnega poznamo danes
so računali ploščine težišča prostornine in površine za vsak primer pose-
bej Veliko so se v 17 stoletju pa tudi že prej znani matematiki ukvarjali
s cikloido na primer N Kuzanski M Mersenne G Galilei G P de Rober-
val C Wren G Cardano B Pascal I Newton G W Leibniz C Huygens
je neko njeno lastnost uporabil pri izdelavi ure na nihalo
Evdoksova kampila
Oglejmo si naslednjo konstrukcijo točk krivulje V točki D(a0) pri čemer
je a gt 0 postavimo pravokotnico p na abscisno os Na p izberemo točko
A ki jo bomo kasneje premikali po tej premici Skozi O in A načrtamo
premico q in skozi A krožnico s središčem v koordinatnem izhodišču O
Krožnica preseka abscisno os v točkah B in Bprime ki sta simetrični glede na
točko O V B in Bprime konstruiramo pravokotnici r in rprime na os x ki presekata
p v točkah T in T prime ki sta tudi simetrični glede na točko O Ko teče točka
A po premici p opišeta T in T prime dvodelno krivuljo ki so jo poimenovali
rdquoEvdoksova kampilardquo Točka T opiše njeno desno vejo T prime pa levo Krivulja
je očitno simetrična glede na obe koordinatni osi (slika 41)
Enačbo desne veje dobljene Evdoksove kampile je najlaže najprej izraz-
iti v polarnih koordinatah nato pa še v implicitni obliki v pravokotnih
67
Slika 41 Konstrukcija točk Evdoksove kampile
kartezičnih koordinatah Za polarni kot ϕ vzamemo naklonski kot pre-
mice q za polarni radij pa razdaljo ∣OT ∣ (slika 41) Najprej očitno veljata
zvezi ∣OA∣ = ∣OD ∣cosϕ = acosϕ in = ∣OT ∣ = ∣OB∣cosϕ = ∣OA∣cosϕ iz
katerih dobimo = acos2ϕ tako da je nazadnje pri pogoju minusπ2 ltϕ ltπ2
polarna enačba desne veje Evdoksove kampile
(ϕ) =a
cos2ϕ (10)
Obe veji krivulje imata implicitno obliko
a2(x2 +y2) = x4 (11)
ki jo dobimo iz polarne oblike z upoštevanjem zvez 2 = x2 + y2 in cosϕ =
x Krivulja v obliki (11) ima izolirano točko O(00) ki je posledica del-
jenja z ki je lahko tudi enak 0 Evdoksova kampila je algebrska krivulja
četrte stopnje
Z Evdoksovo kampilo se da podvojiti kocko Načrtamo krožnico s
središčem v točkiD in polmerom a Njena enačba je x2+y2 = 2ax Vstavimo
68
Slika 42 Podvojitev kocke z Evdoksovo kampilo
2ax namesto x2 + y2 v (11) in dobimo enačbo x4 minus2a3x = x(x3 minus2a3) = 0 ki
ima realni rešitvi x0 = 0 in x1 = a 3radic
2 V prvem kvadrantu se krožnica in
Evdoksova kampila sekata v točki T (a 3radic
2aradic
2 3radic
2minus 3radic
4) kar pomeni da
ima točka T absciso
∣T0T ∣ = b = a 3radic2
Kocka z robom b ima prostornino b3 = 2a3 torej dvakratnik prostornine
kocke z robom a
Grška beseda καμπύλος pomeni rdquokriv zavit upognjenrdquo v ženski ob-
liki καμπύλη beseda γραμμή pa rdquočrta potezardquo Polno ime krivulje je v
grščini καμπύλη γραμμή torej rdquokriva črtardquo na kratko so jo poimenovali kar
rdquokampilardquo kateri so dodali še Evdoksovo ime Evdoks iz Knida (408ndash355
pnš) Εὔδοξος ὁ Κνίδιος je bil starogrški matematik in astronom Bil je
Arhitov učenec v Tarentu grško Τάρας in Platonov na Akademiji v Ate-
nah Obiskal je tudi Sicilijo in Egipt Kasneje je ustanovil svojo šolo v
Kiziku grško Κύζικος ob Mramornem morju ali Propontidi grško Προ-
ποντίς Pomemben je njegov doprinos v teoriji razmerij in nesoizmerljivih
količin kar je uporabil Evklid Εὐκλείδης v svojih Elementih Στοιχεῖα
69
Grška beseda εὔδοξος pomeni med drugim rdquosloveč slaven ugledenrdquo
V astronomiji je Evdoks zagovarjal geocentrični svetovni sistem in za
pojasnitev gibanja planetov in Lune uvedel sistem koncentričnih sfer ki
se vrtijo ena v drugi S tem v zvezi je uvedel še eno krivuljo ki jo poznamo
pod imenom rdquoEvdoksova hipopedardquo
Problem podvojitve kocke je na svojevrsten način s torusom valjem
in stožcem rešil pitagorejec in vojaški poveljnik Arhitas iz Tarenta v južni
Italiji grško Αρχύτας ὁ Ταραντίνος rojen med letoma 435 in 410 umrl
pa med letoma 360 in 350 pnš Morda je Evdoks Arhitovo prostorsko
rešitev problema podvojitve kocke poenostavil na reševanje v ravnini in
tako prišel do svoje kampile Dokazano to ni nikjer ve se le da mu je
rešitev uspelo najti z neko krivuljo Način reševanja pa je podoben reše-
vanju z Uhlhornovo toksoido ki ima tudi podobno enačbo v polarni obliki
(ϕ) = acos3ϕ
Tako Uhlhornova toksoida kot Evdoksova kampila spadata v skupino
Clairautovih krivulj = acosnϕ ali = asinnϕ Če je n racionalno število
je Clairautova krivulja algebrska Alexis Claude Clairaut (1713ndash1765) je
bil francoski matematik in astronom
Evdoksovo kampilo brez izolirane toke O parametriziramo kar s po-
larnim kotom
x(ϕ) =a
cosϕ y(ϕ) =
asinϕcos2ϕ
Njena ukrivljenost κ(ϕ) se izraža v obliki
κ(ϕ) =cos3ϕ(3sin2ϕ minus1)
a(3sin2ϕ +1)32
Ukrivljenost spremeni predznak pri kotu ϕ za katerega je 3sin2ϕ minus1 = 0
V takih točkah ima krivulja prevoje Evdoksova kampila ima štiri in sicer
70
Slika 43 Desna veja Evdoksove kampile prevoja in pritisnjena krožnica
v točkah (plusmnaradic
62plusmnaradic
32) Strmini tangent v teh točkah sta plusmn2radic
2 Os x
presekata za desno vejo v točki G(3aradic
680) Krivinski polmer v točkah
D inDprime je enak a Središče pritisnjene krožnice v točkiD je v točki S(2a0)
Približno ujemanje krivulje tangent v prevojih Pplusmn in pritisnjene krožnice v
temenu D kaže slika 43 Ujemanje bi lahko izkoristili za približno podvo-
jitev kocke Če namesto Evdoksove kampile vzamemo kar njeno tangento
y = 2radic
2(xminusaradic
62)+aradic
32
v prevoju v prvem kvadrantu in poiščemo absciso ξ presečišča s krožnico
x2 +y2 = 2ax dobimo
ξa=
118
radic
24radic
6minus23+
radic6
3+
19≐ 1259956951
namesto točnejše vrednosti
3radic
2a
≐ 1259921049
71
Če bi podoben račun naredili za Uhlhornovo toksoido ki se v prevojih
tudi približno ujema s tangentama bi dobili slabši rezultat
Zgoraj opisani približek lahko izkoristimo za precej natančno evklid-
sko konstrukcijo roba b podvojene kocke z robom a V koordinatnem sis-
temu Oxy narišemo krožnico s polmerom a s središčem v točki D(a0)
skozi O pa konstruiramo premico p z naklonskim koeficientom k = 2radic
2
Na abscisni osi konstruiramo točkoG(3aradic
680) in skoznjo premico q vz-
poredno s p Presečišče te premice s krožnico je točka T njena pravokotna
projekcija na os y pa točka T0 Razdalja b = ∣T0T ∣ je dober približek za
a 3radic
2 (slika 44) Pri tem izkoristimo izraza za diagonalo kvadrata in višino
enakostraničnega trikotnika v katerih nastopataradic
2 inradic
3 s kombinacijo
obeh pa šeradic
6 Podrobnosti so izpuščene z malo truda lahko konstrukcije
izvede vsak sam
Slika 44 Približna podvojitev kocke
Zrcalno sliko Evdoksove kampile (11) na krožnici x2 + y2 = a2 takoj
dobimo iz polarne oblike njene desne veje lowast(ϕ) = acos2ϕ Z zapisom v
pravokotnih kartezičnih koordinatah dobimo implicitno obliko za celotno
prezrcaljeno krivuljo
(x2 +y2)3 = a2x4
72
Krivulja je algebrska šeste stopnje Simetrična je glede na obe koordinatni
osi Njeni največji odkloni od osi x so pri polarnih kotih ϕ za katere je
3sin2ϕ = 1 to je v točkah (plusmn2aradic
69plusmn2aradic
39) kjer ima krivulja vodo-
ravni dvojni tangenti
Slika 45 Zrcaljenje Evdoksove kampile na krožnici
Nova krivulja spada med Clairautove Ploščina P obeh delov jajčastih
oblik je
P = 4 sdota2
2 intπ2
0cos4ϕdϕ = 2a2 sdot
34
sdotπ2=
3πa2
8
Problem podvojitve kocke grško διπλασιασμός τοῦ κύβου ali deloški
problem poimenovan po grškem otoku Delosu v Egejskem morju je reše-
valo več grških geometrov ki so celo skušali izdelati v ta namen posebno
orodje Platon je pograjal Evdoksove Arhitove in Menajhmove učence
češ da njihovi napori kvarijo kar je dobrega v geometriji Nastal je celo
epigram (puščica zbadljivka) v zvezi s podvojitvijo kocke ki je zapisan v
Evtokijevih komentarjih k Arhimedovi razpravi rdquoO krogli in valjurdquo grško
Περὶ σφαίρας καὶ κυλίνδρου Matematik in neoplatonist Evtokij iz Aškalona
v Palestini Εὐτόκιος ὁ Ασκαλονίτης je bil poznoantični matematik rojen
73
okoli leta 480 umrl pa je okoli leta 520 O njem se ve bore malo Nekaj
časa je deloval v Atenah nazadnje pa v Aleksandriji Napisal je tudi ko-
mentarje k Apolonijevi razpravi rdquoStožnicerdquo v grščini Κωνικά Na stožnice
se je v srednjem kar nekoliko pozabilo zanimanje zanje je spet oživelo
šele v času Keplerja in Newtona ko je bil potreben opis gibanja planetov
v heliocentričnem svetovnem sistemu
Navedimo omenjeni epigram v grščini in v prevodu S Weiss (vzeto iz
obsežnega knjižnega dela v treh delih [3])
Μηδὲ σύ γrsquo Αρχύτεω δυσμήχανα ἔργα κυλίνδρων
μηδὲ Μεναιχμείους κωνοτομεῖν τριάδας
διζήσηι μηδrsquo εἴ τι θεουδέος Εὐδόξοιο
καμπύλον ἐν γραμμαῖς εἶδος ἀναγράφεται
Težkih Arhitovih del s cilindri nikar ne posnemaj
stožnic Menajhmovih treh nikdar izsekal ne boš
niti ne boš spoznal če božanskega črte Evdoksa
res zarišejo lik tak iz zavitih kampil
Videli smo kaj vse se da povedati o neki krivulji če obvladamo in-
finitezimalni račun Seveda nam je to sedaj ko imamo na voljo najnovejše
pripomočke in obsežno ter dostopno matematično literaturo veliko laže
kot je bilo matematikom v 17 stoletju ko so v marsičem še orali ledino
Pomembni znanstveniki rojeni v 17 stoletju
Navedimo nekaj pomembnih znanstvenikov predvsem matematikov fizi-
kov in astronomov ki so se rodili v 17 stoletju Razvrščeni so po letnicah
74
rojstva Veliko podatkov dobimo v [1 5] in na svetovnem spletu
Gilles Personne de Roberval (1602ndash1675)
Pierre de Fermat (1607ndash1665)
Giovanni Alfonso Borelli (1608ndash1679)
Evangelista Torricelli (1608ndash1647)
John Pell (1610ndash1685)
Johann Hevel (1611ndash1687)
Frans van Schooten (1615ndash1660)
Carlo Renaldini (1615ndash1698)
John Wallis (1616ndash1703)
Henry Oldenburg (1618ndash1677)
Michelangelo Ricci (1619ndash1682)
William Brouncker (1620ndash1684)
Edmeacute Mariotte (1620ndash1684)
Jean Picard (1620ndash1682)
Vincenzo Viviani (1622ndash1703)
Reneacute-Franccedilois de Sluse (1622-1685)
Blaise Pascal (1623ndash1662)
Giovanni Domenico Cassini (1625ndash1712)
Robert Boyle (1627ndash1691)
Christiaan Huygens (1629ndash1695)
Isaac Barrow (1630ndash1677)
Ehrenfried Walther von Tschirnhaus (1631ndash1708)
Christopher Wren (1632ndash1723)
Johann Hudde (1633ndash1704)
Robert Hooke (1635ndash1703)
75
William Neile (1637ndash1670)
James Gregory (1638ndash1675)
Philippe de la Hire (1640ndash1719)
Isaac Newton (1643ndash1727)
Olaus Roslashmer (1644ndash1710)
Gottfried Wilhelm Leibniz (1646ndash1716)
Denis Papin (1647ndash1712)
Michel Rolle (1652ndash1719)
Pierre Varignon (1654ndash1722)
Jacob Bernoulli (1655ndash1705)
Edmund Halley (1656ndash1742)
Guillaume Franccedilois Antoine LrsquoHocircpital (1661ndash1704)
David Gregory (1661ndash1708)
Abraham de Moivre (1667ndash1754)
Johann Bernoulli (1667ndash1748)
Jacopo Francesco Riccati (1676ndash1754)
Giulio Carlo Fagnano (1682ndash1766)
Roger Cotes (1682ndash1716)
Reneacute Antoine Reacuteaumur (1683ndash1757)
Greacutegoire de Saint-Vincent (1584ndash1667)
Brook Taylor (1685ndash1731)
Gabriel Daniel Fahrenheit (1686ndash1736)
Colin Maclaurin (1698ndash1746)
Pierre Louis Moreau de Mapertuis (1698ndash1759)
76
Viri
[1] I Asimov Biografska enciklopedija znanosti in tehnike Tehniška za-
ložba Slovenije Ljubljana 1978
[2] J Bair V Henry Sluse ses perles et son algorithme Losanges 14
(2011) str 14ndash18 httphdlhandlenet2268100155 (videno 10
7 2021)
[3] G Kocijančič (urednik) Fragmenti predsokratikov Študentska za-
ložba Ljubljana 2012
[4] G Loria Spezielle algebraische und transscendente ebene Kurven
Teubner Leipzig 1902
[5] U C Merzbach C B Boyer A History of Mathematics John Wiley amp
Sons Hoboken New Jersey 2011
[6] J J OrsquoConnor E F Robertson Reneacute Franccedilois Walter de Sluze MacTu-
tor
httpsmathshistoryst-andrewsacukBiographiesSluze
(videno 10 7 2021)
[7] B von Pape Von Eudoxus zu Uhlhorn Books on Demand Norderstedt
2019
[8] M Razpet Pomnožitev hiperkocke Obzornik mat fiz 68 (2021) št 1
str 1-9
[9] M Razpet in N Razpet Prepogibanje papirja podvojitev kocke in
Slusova konhoida Obzornik mat fiz 67 (2020) št 2 str 41-51
77
[10] Y Renotte Reneacute de Sluze dialogues avec Christiaan Huygens
Bulletin de lrsquouniversiteacute du 3e acircge - Liegravege 23 (2021) 4 strani
httphdlhandlenet22682596400 (videno 10 7 2021)
[11] R F Slusius Mesolabum seu duaelig mediaelig proportionales inter ex-
tremas datas per circulum et ellipsim vel hyperbolam infinitis modis
exhibitaelig Leodii Eburonum Liegravege 1659
[12] R F Slusius Mesolabum seu duaelig mediaelig proportionales inter ex-
tremas datas per circulum et per infinitas hyperbolas vel ellipses et
per quamlibet exhibitaelig ac problematum omnium solidorum effectio
per easdem curvas Leodii Eburonum Liegravege 1668
[13] D Uhlhorn Entdeckungen in der houmlhern Geometrie theoretisch und
practisch abgehandelt Schulzersquosche Buchhandlung Oldenburg 1809
[14] I Vidav Algebra Mladinska knjiga Ljubljana 1972
Avtor se zahvaljuje prof dr Milanu Hladniku za strokovni pregled
copy(2021) Marko Razpet
78
x in y ki skupaj z a in b zadoščajo relaciji (1) Pravokotniki so razdeljeni z
med seboj vzporednimi diagonalami na pravokotne trikotnike (slika 4)
Slika 5 Premik pravokotnikov Eratostenovega mesolabuma
Ko premikamo drugi pravokotnik pod prvega njegova diagonala B2D2
prej ali slej seka stranico B1C1 negibnega pravokotnika denimo v točki
E Ko pa premikamo tretji pravokotnik pod drugega njegova diagonala
B3D3 prej ali slej seka stranico B2C2 drugega pravokotnika denimo v točki
F Cilj premikanja pravokotnikov sem in tja je doseči kolinearnost točk
D1EF in T Kot bomo kmalu videli takrat x = ∣B2F∣ in y = ∣B1E∣ ustrezata
relaciji (1)
Kolinearnost točk D1EF in T dosežemo s postopkom ki mu učeno
rečemo rdquoiteracijardquo Malo premaknemo drugi pravokotnik nato malo tret-
jega pa zopet drugega itd dokler s svojo spretnostjo ne dosežemo zado-
voljive natančnosti V natančni legi označimo u = ∣B1D1∣ v = ∣B2E∣ in
w = ∣B3F∣ Te daljice so med seboj vzporedne (slika 6) in zaradi podob-
nosti trikotnikov A1B1D1 B1B2E in B2B3F ter trikotnikov B1ED1 B2FE in
15
Slika 6 Končna lega pravokotnikov Eratostenovega mesolabuma
B3T F dobimo sorazmerja
bu=y
v=xwy
u=xv=aw
iz katerih sledijo relacije
xw = av xv = yw yv = ux bv = uy
Iz prve druge tretje in četrte dobimo po vrsti
ax=wvwv=xyxy=vuvu=y
b
Sedaj je nedvomno razvidno da je res
ax=xy=y
b
Tako lahko z Eratostenovo napravo najdemo prvo in drugo srednjo ge-
ometrijsko sorazmernico daljic a in b Podobno bi lahko našli tudi več
srednjih geometrijskih sorazmernic daljic a in b
16
So pa matematiki že davno odkrili da se da srednji geometrijski so-
razmernici najti tudi s parabolama Iz relacije (1) namreč sledita preprosti
zvezi
x2 = ay y2 = bx
V prvi spoznamo enačbo parabole ki ima za simetralo ordinatno os gorišče
v točki F(0a4) in vodnico y = minusa4 v drugi pa enačbo parabole ki ima za
simetralo absciso os gorišče v točki G(b40) in vodnico x = minusb4 (slika 7)
Slika 7 Do srednjih geometrijskih sorazmernic s parabolama
Paraboli se sekata v točkah O(00) in A(3radica2b
3radicab2) Konstrukcijo je
odkril Menajhmos grško Μέναιχμος ki je živel v 4 stoletju pnš Prvi je
vpeljal stožnice kot preseke stožca z ravnino Teorijo stožnic je temeljito
obdelal Apolonij iz Perge (265ndash170 pnš) grško Απολλώνιος ὁ Περγαῖος
Njegove knjige so matematiki uporabljali še vse do Newtonovih časov
Prav tako pridemo do srednjih geometrijskih sorazmernic če poiščemo
presečišči parabole x2 = ay z goriščem F(0a4) in vodnico y = minusa4 ter
krožnice x2 + y2 = bx + ay ki ima središče v točki S(b2a2) in premer
17
Slika 8 Do srednjih geometrijskih sorazmernic s parabolo in krožnico
d =radica2 +b2 Parabola in krožnica se sekata v točkah O in A(
3radica2b
3radicab2)
(slika 8) kar potrdi preprost račun Opisano konstrukcijo je obvladal Reneacute
Descartes Menajhmos in Descartes sta pokazala da se z njunima kon-
strukcijama da rešiti problem podvojitve kocke Za b je treba v opisanih
postopkih vzeti 2a Pripomnimo še da je bila starogrška matematika
pretežno matematika razmerij in sorazmerij in tako je bilo še celo vrsto
stoletij Srednjo geometrijsko sorazmernico x daljic dolžin a in b tako
da velja a ∶ x = x ∶ b iz česar sledi x =radicab se da konstruirati z neoz-
načenim ravnilom in šestilom Spomnimo se na višinski izrek v pravokot-
nem trikotniku ki je pravzaprav posledica podobnosti dveh trikotnikov
na katera višina na hipotenuzo razdeli pravokotni trikotnik
Pri dveh srednjih geometrijskih sorazmernicah x in y pa se kot smo
videli pojavi kubični koren ki pa z omenjenima geometrijskima orodjema
ni konstruktibilen To so matematiki dokazali šele v 19 stoletju Do takrat
so problem skušali rešiti na druge načine in pri tem odkrili nove krivulje
tako da njihov trud le ni bil popolnoma zaman Geometrijski objekt bo za
18
nas rdquokonstruktibilenrdquo če se ga da konstruirati z neoznačenim ravnilom in
šestilom
Drugo de Slusovo delo
De Sluse še vedno velja za izjemno učenega človeka nadarjenega za mate-
matiko izumiteljstvo in posploševanje Njegovo ime je še danes povezano
z njegovimi konhoidami in perlami De Slusova konhoida (slika 9) ki ima
implicitno obliko
(xminus c)(x2 +y2)minus2cx2 = 0
je precej natančno obravnavana v članku [9]
Slika 9 Slusova konhoida
Reneacute de Sluse se ni ukvarjal le z matematiko ampak tudi z astronomijo
fiziko naravoslovjem in seveda teologijo Pogosto se je pritoževal nad
omejitvami ki so mu jih nalagale njegove verske in upravne funkcije
Ni veliko eksperimentiral ker za to ni imel posebnega veselja pa tudi
ne tehničnih možnosti Je pa predlagal drugim zlasti Huygensu da naj
naredijo tak ali drugačen eksperiment Z zanimanjem je bral prepovedane
19
knjige N Kopernika G Galileja in J Keplerja ter kritiziral prizadevanja za
obnovitev starih konceptov Pisal je že o ekscentričnosti v zvezi s Soncem
Zdi se da je za svoje izračune uporabljal oba sistema heliocentričnega
in geocentričnega Rad je opazoval zvezdnato nebo Tako v kemiji kot
drugje se je znašel na razpotju Prebral je modne knjige o alkimiji in
celo ponovil poskus sublimacije antimona v belo barvo vendar je bila nje-
gova razlaga odločno korpuskularna saj je uporabljal Boylove zamisli o
strukturi tekočega in trdnega stanja V podporo temu je izvajal poskuse
zamrzovanja različnih raztopin in študiral sestavo lojevca V medicinski
kemiji se je zanimal za zdravilne vode in jih tudi analiziral
V fiziki sta ga je posebej zanimala merjenje temperature in praktična
termometrija Če ne upoštevamo odkritij E Torricellija in B Pascala o
vplivu atmosferskega tlaka na zračni termometer je de Sluse leta 1664
izumil svoj termometer z voščeno kroglico pomešano s peskom ki se je
gibala v stekleni cevi zaprti na dnu napolnjeni s slano vodo tako da je
bila kroglica bolj ali manj potopljena v sredini cevi kar je opisal v pismih
Huygensu Kroglica je označevala vsako spremembo v zraku iz toplejšega
na hladnejše ko se je spuščala ali dvigala Huygens je odgovoril da je
njegov termometer prepočasen vendar je zanesljivejši od drugih istovrst-
nih termometrov ker je manj podvržen vplivu atmosferskega tlaka Žal
ni poznal florentinskega termometra ko je svojim dopisnikom vključno s
Huygensom in Oldenburgom povedal o svojem izumu Florentinski ter-
mometri so pomenili odločilen korak naprej pri merjenju temperature
Bili so prvi ki so omogočali natančne meritve Pred iznajdbo v Firencah
okoli leta 1650 so bili stari modeli zelo približni določali so ali je pred
nami nekaj hladnega ali vročega ne da bi lahko odčitali ali ocenili tem-
peraturo Razlika je v tem da je steklena cev zaprta tako da je vpliv tlaka
20
odpravljen Uporabljali so se predvsem petdesetstopinjski termometri
Taki termometri so večinoma služili za določanje nihanja temperature zra-
ka v zaprtih prostorih in na prostem Oblikovanje termometra je takrat
pomenilo tudi določitev njegove merilne lestvice vendar še brez Celzijevih
ali Fahrenheitovih stopinj Pri tem so bile stopinje enakomerno razpore-
jene med dvema skrajnostma in sicer med nivojem najhladnejše tekočine
pozimi (nizka točka) in nivojem najbolj vroče tekočine poleti (visoka točka)
Zaradi teh zelo relativnih vrednosti je primerjava meritev med dvema ter-
mometroma nezanesljiva Ob upoštevanju pripomb jo je večkrat spreme-
nil in jo ponovno predložil Oldenburgu do leta 1669 ko je R Boyle izrazil
negativno mnenje glede topnosti voska kroglic v slani tekočini Po tem da-
tumu termometer ni bil nikoli več omenjen De Sluse je zboljšal različne
instrumente ure številčnice barometre Ker ga je motilo prerekanje med
raziskovalci glede avtorstva odkritij je po Oldenburgovi smrti leta 1677
končal svojo znanstveno dejavnost
Šele v 18 stoletju so razvijali temperaturne merilne lestvice C Re-
naldini (1694) O C Roslashmer (1702) G Fahrenheit (1717) Reneacute-Antoine
F de Reacuteaumur (1730) in A Celsius (1741) Enota kelvin (K ndash v čast lordu
Kelvinu 1824-1907) osnovna enota mednarodnega sistema enot za tem-
peraturo je bila uvedena šele leta 1954
De Sluse je bil tudi zgodovinar Napisal je knjigo o smrti sv Lam-
berta škofa v Tongresu ki je bil ubit na kraju kamor je sv Hubert njegov
naslednik prenesel sedež svoje škofije Kraj se je kasneje razvil v Liegravege
Druga zgodovinska študija se nanaša na slavnega maastrichtskega škofa
sv Servacija Med de Slusovimi neobjavljenimi rokopisi je tudi zgodovina
Koumllna Pripomnimo še da je sv Hubert zavetnik lovcev matematikov
optikov in kovinarjev
21
O širini de Sluzovih interesov priča raznolikost tem ki so zajete na
več sto straneh njegovega dela neobjavljenih rokopisov ki jih zdaj hrani
Narodna knjižnica Bibliotheque Nationale v Parizu Čeprav se je ukvarjal
predvsem z matematiko njegovi rokopisi obravnavajo tudi astronomijo
fiziko in naravoslovje
De Slusove perle
Po de Slusu so po zaslugi B Pascala (več o tem v [4]) imenovane tudi
krivulje rdquode Slusove perlerdquo to so krivulje ki se v pravokotnem kartezi-
čnem koordinatnem sistemu Oxy izražajo z enačbo
ym = kxn(aminusx)p (2)
Pri tem so eksponenti mn in p naravna števila a in k pa pozitivni kon-
stanti Glede na parnost eksponentovmn in p formalno razlikujemo osem
možnosti od katerih imamo opravka s perlami le v primeru ko je m sodo
število s pravimi perlami pa v primeru ko je m sodo število n in p pa lihi
števili (slika 10) Skupno tem krivuljam so simetričnost glede na os x in
presečišča s to osjo pri x = 0 in x = a De Sluse je po svoje brez uporabe
odvoda izračunal da njegove perle dosegajo lokalne ekstreme največji
odstop od osi x med 0 in a za x = na(n+p)
V teh primerih je ploščina S lika ki ga ograjuje zanka perle enaka
S = 2k1mint
a
0xnm(aminusx)pmdx = 2k1ma(m+n+p)mint
1
0tnm(1minus t)pmdt
Integracijsko spremenljivko x smo zamenjali z novo spremenljivko t prek
relacije x = at da smo dobili obliko ki jo lahko izrazimo z Eulerjevima
22
Slika 10 Primeri de Slusovih perl
funkcijama B in Γ
S = 2k1ma(m+n+p)mB(nm+1pm+1) =
= 2k1ma(m+n+p)mΓ(nm+1)Γ(pm+1)
Γ((n+p)m+2)=
= 2k1ma(m+n+p)mnp
(m+n+p)(n+p)
Γ(nm)Γ(pm)
Γ((n+p)m)
Pri rotaciji okoli osi x ta lik v prostoru opiše telo s prostornino
V =πk2mint
a
0x2nm(aminusx)2pmdx =πk2ma(m+2n+2p)m
int
1
0t2nm(1minust)2pmdt
23
Slika 11 Zasuk de Slusove perle za m = 2n = 3p = 1k = 001 okoli osi x
Integracijsko spremenljivko x smo tudi to pot zamenjali z novo spremenljivko
t prek relacije x = at da smo dobili obliko ki jo lahko izrazimo z Eulerje-
vima funkcijama B in Γ
V =πk2ma(m+2n+2p)mB(2nm+12pm+1) =
=πk2ma(m+2n+2p)mΓ(2nm+1)Γ(2pm+1)Γ((2n+2p)m+2)
=
= 2πk2ma(m+2n+2p)m np
(m+2n+2p)(n+p)Γ(2nm)Γ(2pm)
Γ((2n+2p)m)
Poseben primer de Slusove perle
Natančneje bomo obravnavali de Slusovo perlo samo primer za m = n = 2
p = 1 in k = 1a to se pravi krivuljo K ki ima implicitno enačbo ay2 =
x2(a minus x) To pa zato ker se posamezne točke te krivulje da preprosto
konstruirati z osnovnim geometrijskim orodjem
24
Geometrijska konstrukcija in analitična obravnava
Do posameznih točk T krivulje K pridemo s preprosto geometrijsko kon-
strukcijo (slika 12) V pravokotnem kartezičnem koordinatnem sistemu
Oxy načrtamo premico x = a kjer je a pozitivna konstanta Skozi koordi-
natno izhodišče O potegnemo premico p ki ima enačbo y = tx in preseka
premico x = a v točki A(ata) Parameter t smerni koeficient premice p s
katerim je sorazmerna ordinata točkeA bomo kasneje spreminjali V točki
A na p postavimo pravokotnico q ki seka os x v točki B V B načrtamo na
q pravokotnico r ki seka premico x = a v točki C nazadnje pa skozi C še
pravokotnico s na r Presečišče premic p in s naj bo točka T (xy) Sedaj
bomo izrazili njeni koordinati x in y s parametrom t
Slika 12 Konstrukcija točke T de Slusove perle K
Premica q ima enačbo y = minus(x minus a)t + at in preseka os x v točki B(a +
at20) Premica r ima enačbo y = t(x minus aminus at2) in preseka premico x = a v
točki C(aminusat3) premica s pa enačbo y = minus(xminus a)t minus at3 Koordinati točke
T sta rešitvi sistema enačb
y = tx y = minusxminusat
minusat3
25
Po krajšem računu dobimo
x(t) = a(1minus t2) y(t) = at(1minus t2) (3)
To sta parametrični enačbi krivulje K Ko spreminjamo t po vseh realnih
vrednostih oziroma ko A drsi po premici x = a točka T (xy) opiše krivuljo
K (slika 13) z zanko ki spominja na perlo
Če si mislimo da je parameter t čas enačbi (3) predstavljata sestav-
ljeno gibanje točkaste mase v dveh med seboj pravokotnih smereh v koor-
dinatni ravnini v smeri osi x po pravilu prve enačbe v smeri osi y pa po
pravilu druge enačbe Tirnica takega gibanja je krivulja K Podoben le da
bolj preprost primer imamo tudi pri gibanju točkaste mase pri poševnem
metu
Slika 13 De Slusova perla K
Ko se t spreminja od zelo velikih negativnih vrednosti potuje T po
loku v drugem kvadrantu navzdol in doseže za t = minus1 prvič točko O Za
minus1 le t le 0 opiše lok v četrtem kvadrantu odO do temenaD(a0) za 0 le t le 1
opiše lok v prvem kvadrantu od D do točke O ki jo doseže drugič za t = 1
za t gt 1 pa se spusti po loku v tretjem kvadrantu navzdol
26
Če upoštevamo (3) dobimo
x2(t)(aminusx(t)) = a2(1minus t2)2 sdotat2 = a(at(1minus t2))2 = ay2(t)
To pomeni da je ay2 = x2(aminusx) implicitna enačba krivulje K in da je K al-
gebrska krivulja tretje stopnje Krivulja K je simetrična glede na os x Za
točke ki so zelo blizu koordinatnemu izhodiščuO je člen x3 zanemarljivo
majhen v primerjavi s kvadratnima členoma zato je tam enačba krivulje
K približno ay2 = ax2 oziroma (y minusx)(y +x) = 0 Ta enačba razpade na dve
y = x in y = minusx V točki O ima krivulja tangenti y = x in y = minusx ki se sekata
pravokotno V točki D je tangenta na krivuljo premica x = a Krivulja ima
na zanki dve glede na os x simetrično ležeči lokalno ekstremni točki v ka-
terih je tangenta vzporedna z osjo x To sta točki Mplusmn(2a3plusmn2aradic
39) De
Sluse jih je na svojevrsten način pravilno izračunal čeprav je bilo v nje-
govem času računanje z odvodi še v zametkih Da bi pravilnost ekstrem-
nih točk preverili brez odvoda uporabimo kvadrat ekstremne ordinate ki
je y2M = 4a227 in zapišimo izraz
ay2M minusx2(aminusx) = 4a327minusax2 +x3 = (xminus2a3)2(x+a3)
ki je za 0 lt x lt a nenegativen in enak 0 za x = 2a3 To pomeni da je
tedaj x2(a minus x) le 4a327 in največja ordinata na zanki krivulje je 2aradic
39
najmanjša pa minus2aradic
39 oboje pri x = 2a3 (slika 14)
Z uporabo odvoda gre vse veliko hitreje Ordinata y doseže ekstrem
takrat kot ay2 Zato je vseeno če poiščemo ekstrem enostavnejše funkcije
g(x) = x2(a minus x) = ax2 minus x3 Potreben pogoj za to je g prime(x) = 2ax minus 3x2 = 0
Dobimo stacionarni točki x1 = 0 in x2 = 2a3 Uporabimo še g primeprime(x) = 2aminus6x
Ker je g primeprime(x1) = 2a gt 0 in g primeprime(x2) = minus2a lt 0 ima funkcija g v točki x1 lokalni
minimum ki je enak 0 v točki x2 pa lokalni maksimum ki je enak 4a327
27
Slika 14 Lokalna ekstrema na de Slusovi perli K
Ekstremna točka na zanki kjer je tangenta vzporedna z osjo x je očitno
le v x2 kvadrat ekstremne ordinate je tedaj g(x2)a = 4a227 = 12a281
Ekstremni ordinati sta torej plusmn2aradic
39 pri abscisi 2a3
Abscise 2a3 ni težko geometrijsko konstruirati prav tako tudi ne or-
dinate 2aradic
39 ki je 29 razdalje ∣PminusP+∣ = aradic
3 kjer sta Pminus in P+ presečišči
krožnih lokov s središčema v točkahO inD in polmerom ∣OD ∣ To pomeni
da sta točki Pminus in P+ konstruktibilni
Če bi načrtali celotna krajša krožna loka med Pminus in P+ bi dobili med
njima lečast lik ki so mu nekoč rekli rdquovesica piscisrdquo kar dobesedno pomeni
rdquoribji mehurrdquo Lik je bil zelo znan v srednjeveški sakralni umetnosti
Čeprav v de Slusovem času še niso poznali odvoda funkcije v današn-
jem smislu so že vedeli zahvaljujoč Fermatu da ima funkcija v točki
lokalnega ekstrema vodoravno tangento
28
Spremljajoča parabola
Nastajanje krivulje K spremljajo še nekatere druge bolj ali manj znane
krivulje Najprej si oglejmo kaj dobimo če točko O pravokotno projici-
ramo na premice r in spreminjamo parameter t Dobljena projekcija naj
bo R (slika 15)
V prispevku se pogosto sklicujemo na povezavo med smernima koe-
ficientoma premice in pravokotnice nanjo Koeficienta sta si inverzna in
nasprotna Zato zlahka napišemo enačbo premice r in pravokotnice skozi
O nanjo
y = t(xminusaminusat2) y = minusxt
Njuno presečišče R ima koordinati
x(t) = at2 y(t) = minusat
Z izločitvijo parametra t dobimo y2 = ax kar pomeni da točke R pri spre-
minjanju točkeA po premici x = a opišejo parabolo rdquospremljajočo parabolordquo
ki ima gorišče v točki F(a40) in vodnico v z enačbo x = minusa4
Slika 15 De Slusova perla K in spremljajoča parabola
29
Ogrinjače
Ko drsi točka A po premici x = a premice s ogrinjajo neko krivuljo Ks
Premice s so v točki T krivulje K pravokotne na premice skozi O in T
Njeno enačbo dobimo po standardnem postopku Enačba premic s je
F(xyt) = y +xminusat
+at3 = 0
To je enoparametrična družina premic ki ogrinjajo krivuljo Ks imeno-
vano rdquoogrinjačardquo te družine (slika 16) V vsaki točki ogrinjače se jo dotika
ena premica v različnih točkah različne premice družine Enačbo njihove
ogrinjače v implicitni obliki dobimo tako da iz sistema enačb
Slika 16 De Slusova perla K in ogrinjače Ks Kq Kr
F(xyt) = 0partFpartt
(xyt) = 0
izločimo parameter t Iz enačbe
partFpartt
(xyt) = minus(xminusa)t2 +3at2 = 0
30
dobimo najprej xminusa = 3at4 kar vstavimo v prvo enačbo v sistemu in imamo
y = minus4at3 Dobili smo ogrinjačo v parametrični obliki
x(t) = a(1+3t4) y(t) = minus4at3
Izločimo t in enačba iskane ogrinjače Ks v implicitni obliki je pred nami
27y4 = 256a(xminusa)3
Ker je y dobljene krivulje sorazmeren s potenco (x minus a)34 lahko rečemo
da je ogrinjača premic s četrtkubična parabola
Podobno poiščemo ogrinjačo Kq premic q
F(xyt) = yt +xminusaminusat2 = 0partFpartt
(xyt) = y minus2at = 0
Ogrinjača v parametrični obliki je to pot
x(t) = a(1minus t2) y(t) = 2at
Z izločitvijo parametra t dobimo njeno enačbo v implicitni obliki
y2 = minus4a(xminusa)
Dobljena krivulja Kq je parabola z vodnico x = 2a in goriščem v točki O
(slika 16)
Nazadnje po enakem postopku kot doslej poiščemo še ogrinjačo Kr
premic r
F(xyt) = y minus tx+at +at3 = 0partFpartt
(xyt) = minusx+a+3at2 = 0
Ogrinjača v parametrični obliki je potem
x(t) = a(1+3t2) y(t) = 2at3
31
Z izločitvijo parametra t dobimo njeno enačbo še v implicitni obliki
27ay2 = 4(xminusa)3
Dobljena krivulja Kr je polkubična ali Neilova parabola z ostjo v točki
D(a0) kjer ima vodoravno tangento (slika 16) Krivuljo Ks smo up-
ravičeno imenovali četrtkubična parabola Slednja ima v točki D(a0)
navpično tangento
Edinole premice p od tistih ki sodelujejo v konstrukciji točk krivulje
K nimajo ogrinjače Vse premice p namreč potekajo skozi koordinatno
izhodišče O in očitno ne ogrinjajo nobene krivulje
Nožiščne krivulje
Novo krivuljoHprime dobimo če na tangente dane krivuljeH pravokotno pro-
jiciramo izbrano točko Φ Vse projekcije P nožišča točke Φ na tangentah
krivuljeH sestavljajo krivuljoHprime ki jo imenujemo rdquonožiščnardquo ali rdquopedalna
krivuljardquo krivulje H glede na točko Φ
Beseda rdquopedalenrdquo izhaja iz latinske rdquopedalisrdquo kar pomeni rdquonoženrdquo Os-
novna beseda je rdquopesrdquo v rodilniku ednine rdquopedisrdquo kar pomeni rdquonogardquo Od
tod izvirajo tudi besede rdquopedalordquo rdquopedalarrdquo in rdquopedalinrdquo
Poiščimo nekaj nožiščnih krivulj glede na koordinatno izhodišče O
Najprej za krivuljo K ki je poseben primer de Slusove perle Za odvod
v točki T isinK ki ustreza parametru t dobimo
dy
dx(x) =
y
x(t) =
3t2 minus12t
Enačbi tangente v T in pravokotnice skozi O nanjo pa se glasita
y minusat(1minus t2) =3t2 minus1
2t(xminusa(1minus t2)) y =
2t1minus3t2
x
32
Sekata se v točki P s koordinatama
x(t) =a(t2 minus1)2(1minus3t2)
9t4 minus2t2 +1 y(t) =
2at(t2 minus1)2
9t4 minus2t2 +1 (4)
S tem smo našli parametrični enačbi krivulje Kprime (slika 17) Do implicitne
enačbe je dolga pot prek rezultante dveh polinomov spremenljivke t od
katerih je prvi druge drugi pa pete stopnje Najprej opazimo da je v (4)
yx = 2t(1minus 3t2) kar lahko zapišemo kot p(t) = 3yt2 + 2xt minus y = 0 drugo
enačbo pa zapišemo v obliki q(t) = 2at5 minus 9yt4 minus 4at3 + 2yt2 + 2at minus y = 0
Zaradi enostavnosti smo pisali x in y brez argumenta t Da izločimo pa-
rameter t je treba zapisati rdquorezultantordquo R(p(t)q(t)) polinomov p(t) in
q(t) in jo izenačiti z 0 (glej [14])
R(p(t)q(t)) =
RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR
2a minus9y minus4a 2y 2a minusy 0
0 2a minus9y minus4a 2y 2a minusy
3y 2x minusy 0 0 0 0
0 3y 2x minusy 0 0 0
0 0 3y 2x minusy 0 0
0 0 0 3y 2x minusy 0
0 0 0 0 3y 2x minusy
RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR
= 0
Zadnji stolpec je deljiv z y Ker y = 0 ni del iskane nožiščne krivulje pre-
ostane ko izračunamo determinanto in jo okrajšamo z y in preuredimo
27y2(x2 +y2)2 +4ax(x2 minus9y2)(x2 +y2)minus4a2(x2 minusy2)2 = 0
Rezultat je torej algebrska krivulja šeste stopnje Krivulja je simetrična
glede na abscisno os točka O pa je njena posebna točka Za zelo majhne
x in y prevlada zadnji člen kar pomeni da sta premici y = x in y = minusx v O
tangenti na krivuljo
33
Slika 17 Nožiščna krivulja Kprime krivulje K glede na koordinatno izhodišče
Zanka krivulje Kprime nekoliko spominja na srčnico ali kardioido ki jo
opisujejo točke krožnice ki se brez drsenja kotali po enako veliki krožnici
Krivulja Kprime ima še neomejeni del ki se razteza po drugem in tretjem kvad-
rantu Poglejmo kako potuje točka po krivulji v parametrizaciji (4) ko
parameter t teče po številski premici Za t lt minus1 poteka krivulja po tretjem
kvadrantu pri čemer x(t)rarr minusinfin in y(t)rarr minusinfin ko t rarr minusinfin Pri t = minus1 točka
doseže O v obliki osti ki ima za tangento premico y = x Za minus1 lt t lt 0
potuje točka po četrtem kvadrantu doseže točko D pri t = 0 za 0 lt t lt 1
potuje naprej po prvem kvadrantu in pri t = 1 spet doseže O kjer ima
ost s tangento y = minusx nato nadaljuje pot po drugem kvadrantu pri čemer
x(t)rarr minusinfin in y(t)rarrinfin ko trarrinfin
Nožiščna krivulja malo prej obravnavane krivulje Ks glede na točko O
ni nič drugega kot krivulja K Premice s so namreč tangente na Ks nožišča
točke O na njej pa so točke krivulje K Lahko pa to preverimo z računom
34
tako kot smo poiskali nožiščno krivuljo Kprime za K glede na točko O
Za odvod v poljubni točki na Ks ki ustreza parametru t dobimo
dy
dx(x) =
y
x(t) = minus
1t
Enačbi tangente v tej točki in pravokotnice skozi O nanjo pa se glasita
y +4at3 = minus1t(xminusa(1+3t4)) y = tx
Sekata se v točki s koordinatama
x(t) = a(1minus t2) y(t) = at(1minus t2)
To sta ravno parametrični enačbi krivulje K tako da velja Kprimes =K
Podobno ugotovimo tudi da je premica x = a nožiščna krivulja za para-
bolo Kq Premica x = a je tangenta te parabole v temenu V splošnem je
temenska tangenta parabole kar njena nožiščna krivulja glede na gorišče
Ugotovili smo torej da je nožiščna krivulja krivulje Kr spremljajoča para-
bola krivulje K
Ekstremne točke nožiščne krivulje Kprime
Ekstremne točke na zanki krivulje Kprime dobimo iz odvodov
x(t) =2at(1minus t2)(3t2 +1)(9t4 +2t2 minus3)
(9t4 minus2t2 +1)2
y(t) =2a(t2 minus1)(3t2 +1)(3t4 +6t2 minus1)
(9t4 minus2t2 +1)2
Za t = 0 doseže v točki D(a0) abscisa svojo največjo vrednost Za t = plusmn1
poteka krivulja skozi točko O kjer sama sebe preseka pod pravim kotom
ker je yprime(0) = (yx)(plusmn1) = ∓1
35
Najmanjšo absciso na zanki ima krivulja Kprime v točki ki jo določa para-
meter t za katerega velja pogoj 9t4 +2t2 minus3 = 0 To je bikvadratna enačba
katere realni rešitvi sta tplusmn = plusmnradic
2radic
7minus13 ustrezni točki na krivulji pa
izračunamo z enačbama (4) in dobimo
Xplusmn(a(17minus7radic
7)27plusmnaradic
74radic
7minus17227)
Ekstremni ordinati na zanki ima krivulja takrat za tisto vrednost para-
metra t za katerega velja pogoj 3t4 + 6t2 minus 1 = 0 Realni rešitvi te bi-
kvadratne enačbe sta tplusmn = plusmn(3radic
2minusradic
6) 4radic
36 ustrezni točki na krivulji pa
Yplusmn(a(3minusradic
3)3plusmna 4radic123)
Ker v koordinatah ekstremnih točk nastopajo poleg osnovnih aritmetičnih
operacij le kvadratni in bikvadratni (četrti) koreni so te točke konstruk-
tibilne
Cisoida
Spoznali smo enega od načinov pridobivanja novih ravninskih krivulj iz
danih to je z nožišči izbrane točke na tangentah dane krivulje Krivulji
s tem priredimo nožiščno krivuljo glede na izbrano točko Drug tak pre-
prost način kako iz znanih krivulj dobimo nove je cisoidni način Kako
pa ta poteka
Denimo da sta znani krivulji K1 in K2 ter točka O ki ležijo v isti
ravnini Pri tem sta K1 in K2 taki krivulji da vsaka premica p skozi O
ki seka K1 v neki točki T1 seka tudi K2 recimo v točki T2 (slika 18) Za
vsak T1 označimo na p točko T tako da veljaETHOT =
ETHETHT1T2 Ko T1 potuje po
K1 T opiše krivuljo C ki jo imenujemo cisoida krivulj K1 in K2 glede na
točko O Definicije take cisoide se nekoliko razlikujejo od vira do vira
36
Slika 18 Krivulja C je cisoida krivulj K1 in K2 glede na točko O
Dioklova cisoida s katero rešimo problem podvojitve kocke je cisoida
krožnice x2 + y2 = ax in premice x = a glede na koordinatno izhodišče O
Več o cisoidah in njihovi uporabi je napisanega na primer v [8]
Krivulja K je povezana tudi s polkubično ali semikubno ali Neilovo
parabolo poimenovano po Williamu Neilu (1637ndash1680) Parametrični
enačbi (3) lahko zapišemo v vektorski obliki v standardni bazi kot razliko
kolinearnih vektorjev
r(t) = (x(t)y(t)) =ETHOT = (a(1minus t2)at(1minus t2)) = (aat)minus (at2at3)
Vektor r1(t) = (aat) = (a0)+at(01) je enačba premice x = a v parametrični
obliki vektor r2(t) = (at2at3) pa polkubične parabole ki ima enačbo ay2 =
x3 in ost v točkiO Parameter t geometrijsko pomeni tangens naklonskega
kota premice OA (slika 13)
Premica y = tx poteka skozi koordinatno izhodišče O in seka premico
x = a v točkiA(aat) zato jeETHOA = r1 Ista premica seka polkubično parabolo
P ki ima enačbo ay2 = x3 v točki P (at2at3) tako da jeETHOP = r2 S tem je
ETHPA =
ETHOAminus
ETHOP = r1minus r2 = r To pomeni da je r =
ETHOT =
ETHOAminus
ETHOP Potemtakem
je krivulja K cisoida polkubične parabole P z enačbo ay2 = x3 in premice
37
Slika 19 De Slusova perla K kot cisoidna krivulja
x = a glede na točko O (slika 19)
Neilova parabola in ločna dolžina
Neilova ali polkubična parabola ay2 = x3 je bila v zgodovini matematike
pomembna kot ena prvih krivulj za katero so znali izračunati ločno dolžino
Prav prvi je to znal John Wallis (1616ndash1703) leta 1657
Denimo da nas zanima ločna dolžina `(b) te krivulje nad intervalom
[0b] (slika 20) Znano je da lahko uporabimo formulo za ločno dolžino
krivulje ki je dana v eksplicitni obliki
`(b) = intb
0
radic
1+yprime2dx
Pri tem je y = f (x) enačba krivulje in yprime = f prime(x) V našem primeru je y =
38
Slika 20 Neilova ali polkubična parabola
f (x) = plusmnradicx3a Kratek račun nam da yprime2 = 9x(4a) in
`(b) = intb
0
radic
1+9x4adx
Z uvedbo nove integracijske spremenljivke u z relacijo u2 = 1 + 9x(4a)
dobimo
`(b) =8a9 int
c
1u2du =
8a27
(c3 minus1)
pri čemer je c =radic
1+9b(4a)
Leibnizeva izohrona je krivulja po kateri se je leta 1687 vprašal G W
Leibniz Poiskati je treba v navpični ravnini krivuljo po kateri se brez
trenja giblje točkasta masa ki je podvržena konstantnemu težnostnemu
polju tako da je navpična komponenta njene hitrosti ves čas konstantna
Nalogo je prvi rešil C Huygens nizozemski astronom fizik in matema-
tik znan tudi po odkritju Saturnovega satelita Titana in znamenitih Sat-
urnovih obročev ter po izdelavi prve ure na nihalo kar je bilo za tiste čase
velik napredek v merjenju točnega časa
39
Slika 21 Leibnizeva izohrona
Izhodišče O postavimo v najvišjo točko krivulje (slika 21) V tej točki
je horizontalna hitrost premikajoče se mase m enaka 0 Naj bo v0 njegova
navpična hitrost navzdol Os y je vodoravna os x pa usmerjena navz-
dol Potencialno energijo mase računamo nad izbranim nivojem spodaj V
skladu z načelom ohranitve mehanske energije v času t in času 0 potem
velja12mv2(t)+mg(hminusx(t)) =
12mv2
0 +mgh
Pri tem je g težni pospešek Po poenostavitvi dobimo v2(t) = 2gx(t)+ v20
Vektor hitrosti ima v vsakem trenutku med seboj pravokotni komponenti
v(t) = (x(t) y(t)) za t = 0 pa v(0) = (v00) Upoštevamo da je ∣v(t)∣2 =
v2(t) = x2(t) + y2(t) in da je x(t) = v0 pa imamo sistem diferencialnih
enačb
x(t) = v0 y(t) =radic
2gx(t)
ki ga rešimo pri začetnih pogojih x(0) = y(0) = 0 in dobimo
x(t) = v0t y(t) =23
radic2gv0t3
40
Koordinati točk na dobljeni krivulji zadoščajo enačbi
ay2 = x3 a =9v2
0
8g
Pri dani konstanti a je v0 = (23)radic
2ag Iskana krivulja je torej Neilova
parabola Ime izohrona je dobila zato ker točkasta masa po vertikali
v enakih časih prepotuje enake razdalje V grščini beseda ἴσος pomeni
rdquoenakrdquo χρόνος pa rdquočasrdquo
Dolžina ` zanke krivulje K nas pripelje do zapletenega eliptičnega in-
tegrala za katerega zapišimo približno vrednost
` = 2aint1
0
radic9t4 minus2t2 +1dt ≐ 271559186a
Pač pa je dolžina loka ` četrtkubične parabole Ks ogrinjače premic s bolj
prijazna Za dolžino loka od točke D ki ustreza parametru t = 0 do točke
ki ustreza parametru t = α dobimo
` = 12aintα
0t2
radic1+ t2dt =
3a2
(α(1+2α2)radic
1+α2 minus ln(α +radic
1+α2))
Prav tako dolžina loka ` navadne parabole Kq ogrinjače premic q ne
dela težav Za dolžino loka od točke D ki ustreza parametru t = 0 do
točke ki ustreza parametru t = α dobimo
` = 2aintα
0
radic1+ t2dt = a(α
radic1+α2 + ln(α +
radic1+α2))
Za spremljajočo parabolo dobimo prav tako enostaven rezultat za ločno
dolžino od točke O do točke ki ustreza parametru t = α
` = intα
0
radic1+4t2dt =
a4(2α
radic1+4α2 + ln(2α +
radic1+4α2))
Nazadnje zapišimo še ločno dolžino polkubične parabole Kr
` = 6aintα
0tradic
1+ t2dt = 2a((1+α2)radic
1+α2 minus1)
41
Pri vseh zgornjih primerih je parameter t strmina premice p v prvotni
konstrukciji krivulje K
Ploščine in prostornine
Ploščina S lika ki ga omejuje zanka krivulje K je
S =2radica int
a
0xradicaminusxdx
Z uvedbo nove integracijske spremenljivke t z relacijo aminusx = t2 je
S =4radica int
radica
0t2(aminus t2)dt =
4radica int
radica
0(at2 minus t4)dt =
8a2
15
Lahko pa jo izrazimo tudi s splošno formulo ki smo jo izpeljali na začetku
razdelka S to formulo lahko izrazimo še prostornino V telesa ki ga pri
rotaciji okoli osi x opiše lik
V =πa int
a
0x2(aminusx)dx =
πa3
12
To je ravno polovica prostornine krogle s premerom a
Pač pa je izraz za ploščino S prime lika ki ga omejuje zanka krivulje Kprime bolj
zapleten izraz Uporabimo parametrični enačbi (4) in dobimo
S prime = int1
0(x(t)y(t)minus x(t)y(t))dt = 2a2
int
1
0
(1minus t2)3(1+2t2 minus3t4)(9t4 minus2t2 +1)2 dt
Če se zanesemo na računalniško računanje določenih integralov potem je
S prime =2a2
729(3(43πminus28)+52
radic2ln(1+
radic2))
kar je približno S prime ≐ 1059206796a2 Do enakega rezultata pridemo z
navidez enostavnejšo formulo
S prime = 2inta
0y(x)dx
42
toda drugim težjim integralom
S prime = 2int0
1y(t)x(t)dt = minus8a2
int
1
0
t2(1minus t2)3(3t2 +1)(9t4 +2t2 minus3)(9t4 minus2t2 +1)3 dt
Zakaj smo integrirali po parametru t od 1 do 0 Zato ker abscisa x narašča
od 0 do a ko t pada od 1 do 0 Ordinata y pa je pri tem nenegativna (glej
izraza (4))
Tudi izraz za prostornino V prime telesa ki ga pri rotaciji okoli osi x opiše
lik omejen s Kprime je navidez enostaven
V prime =πinta
0y2(x)dx
toda s parametrom t je zapleten a eksaktno izračunljiv
V prime =πint0
1y2(t)x(t)dt = 8πint
1
0
t3(t2 minus1)5(3t2 +1))(9t4 +2t2 minus3)(9t4 minus2t2 +1)4 dt
Za rezultat dobimo
V prime =2πa3
19683(431π
radic2+369+744ln2)
kar je približno V prime ≐ 08936800975a3
Naj bo s tem računanja integralov dovolj V nadaljevanju se bomo
posvetili nekaterim lažjim problemom
Tangenta
Pri krivuljah v koordinatnem sistemu Oxy so pomembni štirje dotikalni
elementi za posamezne točke T odsek na tangenti ∣TA∣ odsek na normali
∣T B∣ subtangenta ∣AT prime∣ in subnormala ∣BT prime∣ (slika 23) Izražajo se takole
∣TA∣ = ∣y
yprime
radic
1+yprime2∣ ∣T B∣ = ∣yradic
1+yprime2∣ ∣T primeA∣ = ∣y
yprime∣ ∣T primeB∣ = ∣yyprime∣
43
Slika 22 Ploščini likov omejenih z zankama krivulj K in Kprime
Pri tem pomeni yprime = f prime(x) če je enačba krivulje y = f (x) Točka T prime je pra-
vokotna projekcija točke T na abscisno os A je presečišče tangente na
krivuljo v točki T z osjo x B pa presečišče normale z osjo x Dotikalni
elementi so posebej definirani tudi za krivulje v polarnih koordinatah
Slika 23 Dotikalni elementi krivulje
De Sluse je za algebrsko krivuljo f (xy) = 0 po svoje našel izraz za sub-
tangento ts to je pravokotno projekcijo odseka na tangenti
44
na os x V današnji pisavi se subtangenta izraža v obliki
ts = minusy
partfparty (xy)
partfpartx (xy)
Za krivuljo K je f (xy) = ay2 minusx2(aminusx) = 0 in
ts =2x(xminusa)3xminus2a
Lotimo se še konstrukcije tangente t in normale n naK v točki T0(x0y0) ne
O ki enolično določa točko A(aay0x0) kot presečišče premice p skozi O
in T0 s premico x = a Skozi A povlecimo vzporednico nprime z normalo n na K
v točki T0 Normala ima smerni koeficient kn = tsy0 oziroma
kn =
partfparty (x0y0)
partfpartx (x0y0)
=2ay0
x0(3x0 minus2a)
Premica nprime ima enačbo
y minusay0
x0=
2ay0
x0(3x0 minus2a)(xminusx0)
in preseka abscisno os v točki T1(x10) za katero po krajšem računu do-
bimo x1 = 2a minus 3x02 Točko T1 in premico nprime zlahka geometrijsko kon-
struiramo Iskana tangenta t v točki T0 je pravokotna na nprime normala n pa
vzporedna z nprime (slika 24)
Inverzija krivulje K na krožnici
Po navadi za ravninske krivulje pogledamo še njihove inverzne slike na
krožnici Inverzija ali zrcaljenje na krožnici x2 + y2 = r2 je ravninska pres-
likava ι definirana s predpisom
ι ∶ (xy)↦ (r2x
x2 +y2 r2y
x2 +y2)
45
Slika 24 Tangenta in normala na krivuljo K
S spreminjanjem polmera r krožnice dobimo med seboj podobne krivulje
Če zrcalimo na krožnici x2 + y2 = a2 krivuljo K ki ima implicitno enačbo
(2) dobimo krivuljo Klowast ki ima enačbo
y4 = minusx3(aminusx)
ki je formalno oblike (2) zam = 4n = 3p = 1 in k = minus1 Dobljena krivuljaKlowast
je simetrična glede na os x ima dve veji abscisa na njej doseže ekstremni
vrednosti v točkah O(00) in D(a0) Ima pa kot bomo videli tudi dve
asimptoti y = xminusa4 in y = minusx+a4 (slika 25)
Krivuljo Klowast se da lepo parametrizirati s parametrom τ če v njeno
enačbo y4 = minusx3(aminusx) vstavimo y = τx Dobimo
x(τ) =a
1minusτ4 y(τ) =aτ
1minusτ4
To sta parametrični enačbi krivulje Klowast
Ko τ uarr minus1 x(τ)rarr minusinfin in y(τ)rarr +infin ko τ darr minus1 x(τ)rarr +infin in y(τ)rarr minusinfin
ko τ uarr +1 x(τ)rarr +infin in y(τ)rarr +infin ko τ darr +1 x(τ)rarr minusinfin in y(τ)rarr minusinfin
46
Slika 25 Inverzna slika Klowast krivulje K
Konstanti k in n poševne asimptote y = kx + n krivulje Klowast dobimo s
formulama
k = limxrarrplusmninfin
y
x n = lim
xrarrplusmninfin(y minus kx)
V našem primeru je
k = limxrarrplusmninfin
y
x= limτrarrplusmn1
τ = plusmn1 n = a limτrarrplusmn1
τ ∓11minusτ4 = ∓
a4
Poševni asimptoti sta torej premici y = plusmn(xminusa4)
Obnašanje krivulje v okolici točke D utemeljimo če zapišemo impli-
citno obliko krivulje nekoliko drugače
y4 = (xminusa)x3 = (xminusa)(a+(xminusa))3 = a3(xminusa)+3a2(xminusa)2+3a(xminusa)3+(xminusa)4
47
Slika 26 Krivulja Klowast in približka v okolici točk O in D
Za x ki je zelo blizu a prevlada na desni prvi člen tako da je y4 asymp a3(xminusa)
Razlika xminusa se torej obnaša približno tako kot bikvadrat ordinate y
V okolici točke O kjer so abscise negativne iz istega razloga velja y4 asymp
minusax3 zato se tam krivulja obnaša približno tako kot četrtkubična parabola
(slika 26)
Inverzija krivulje Kprime na krožnici
Na krožnici x2 + y2 = a2 zrcalimo še krivuljo Kprime nožiščno krivuljo krivulje
K glede na točko O Dobimo dvodelno krivuljo Kprimelowast kakršno vidimo na
sliki 27
Enačba nove krivulje v implicitni obliki je
4(x2 minusy2)2 minus4ax(x2 minus9y2)minus27a2y2 = 0
48
Slika 27 Inverzna slika Kprimelowast krivulje Kprime
Krivulja je algebrska četrte stopnje je simetrična glede na os x ima ost
z vodoravno tangento v točki O skozi točko D pa poteka v blagem loku
Natančneje ugotovimo približni potek krivulje v okolici teh dveh točk če
v zgornji enačbi obdržimo prevladujoče člene V okolici točke O kjer so
abscise negativne je ay2 asymp minus4x327 torej približno tako kot polkubična
parabola V okolici točke D(a0) je y2 asymp minus4a(x minus a) kar pomeni da se
krivulja obnaša približno tako kot parabola
Pritisnjeni krožnici na K
Pritisnjeni krožnici v točki O na krivuljo K sta inverzni sliki asimptot
krivulje Klowast na krožnici x2 + y2 = a2 Preprost račun pokaže da se asimp-
toti krivulje Klowast z inverzijo ι preslikata v krožnici x2 + y2 plusmn4ay minus4ax = 0 ki
imata središči v točkah Splusmn(2aplusmn2a) in polmer 2aradic
2 Sekata se pavokotno
v točkah O in M(4a0) Inverzija ι namreč ohranja kote (slika 28)
49
Slika 28 Pritisnjeni krožnici na krivuljo K v točki O
Ukrivljenost κ(t) krivulje K v točki ki ustreza parametru t brez težav
izračunamo iz njenih parametričnih enačb (3)
κ(t) =2(3t2 +1)
a(1minus2t2 +9t4)32
V posebnem primeru je v točki O to se pravi za t = plusmn1 ukrivljenost enaka
κ(plusmn1) = 1(2aradic
2) zato sta v O polmera pritisnjenih krožnic 1κ(plusmn1) =
2aradic
2 kar se seveda ujema z rezultatom dobljenim z inverzijo na krožnici
Toksoida
Videli smo da je inverzna slika krivulje K krivulja Klowast ki ima enačbo y4 =
minusx3(aminusx) ki je formalno oblike (2) zam = 4n = 3p = 1 in k = minus1 Prav tako
je krivulja ay2 = minusx2(aminus x) ki jo dobimo iz enačbe ay2 = x2(aminus x) krivulje
K če zamenjamo aminus x z x minus a formalno oblike (2) za m = 2n = 2p = 1 in
50
k = minus1a Krivuljo označimo jo s T ki ima enačbo
ay2 = x2(xminusa)
je nemški amaterski matematik samouk in izumitelj Diedrich (tudi Diede-
rich) Uhlhorn (1764ndash1837) imenoval rdquotoksoidardquo V svojem delu [13] obrav-
nava več krivulj in za nekatere tudi opiše mehanske naprave s katerimi
se jih da risati pa tudi njihovo uporabo pri reševanje enačb Beseda rdquotok-
soidardquo izvira iz dveh grških τόξον kar pomeni rdquolokrdquo (kot orožje) pa tudi
rdquopuščicardquo in εἶδος kar med drugim pomeni rdquooblika podobardquo D Uhlhorn
je imenoval krivuljo v nemščini rdquoBogenlinierdquo ker nemški samostalnik rdquoBo-
genrdquo pomeni prav tako rdquolokrdquo Iz besede τόξον smo dobili tudi besede ki
so povezane s strupi kajti bojne puščice so bile često zastrupljene
Slika 29 Toksoida
Toksoida ima tudi izolirano točkoO(00) saj njeni koordinati zadoščata
implicitni enačbi
Iz implicitne enačbe toksoide dobimo z zamenjavo y = tx njeni parametri-
čni enačbi
x(t) = a(1+ t2) y(t) = at(1+ t2) (5)
ki pa ne vključujeta izolirane točke O
51
Toksoida je algebrska krivulja tretje stopnje simetrična glede na os x
ki jo preseka za t = 0 v točki D(a0) kjer ima navpično tangento Krivulja
na prvi pogled ni nič posebnega a že D Uhlhorn je pokazal kako se kon-
struira njene posamezne točke in kako se z njo podvoji kocko
Slika 30 Konstrukcija točk toksoide
Do točke T na toksoidi pridemo takole V koordinatnem sistemu Oxy
za pozitiven a določimo točko D(a0) in skoznjo konstruiramo pravokot-
nico na os x torej premico x = a (slika 30) Na tej premici izberemo točko
A ki jo bomo spreminjali da bomo dobili krivuljo Skozi O in A nato
načrtamo premico p v A pa nanjo pravokotnico q ki seka abscisno os v
točki B V B postavimo na abscisno os pravokotnico r ki preseka premico
p v točki T Ko A potuje po premici x = a točka T opiše toksoido T brez
izolirane točke O
Da res dobimo toksoido T je treba samo zapisati enačbi y = tx premice
p in y = minus(x minus a)t + at premice q ter točki A(aat) in B(a(1 + t2)0) ter
T (a(1+t2)at(1+t2)) Koordinati točke T pa res dasta paramatrični enačbi
52
toksoide
Slika 31 Konstrukcija srednjih geometrijskih sorazmernic s toksoido
Iz podobnih trikotnikov ODA OAB in OBT na sliki 30 sledi relacija
∣OD ∣
∣OA∣=∣OA∣
∣OB∣=
∣OB∣∣OT ∣
kar pomeni da sta ∣OA∣ in ∣OB∣ srednji geometrijski sorazmernici daljic
∣OD ∣ = a in ∣OT ∣ = b Zato lahko izrazimo ∣OA∣ =3radica2b in ∣OB∣ =
3radicab2 na isti
način kot pri (3)
Če imamo že načrtano toksoido T potem srednji geometrijski sorazmer-
nici za a in b gt a dobimo tako da poiščemo presečišče T krožnice s sredi-
ščem v O skozi točko C(b0) in na zgoraj opisan način poiščemo premice
pq in r ter točki A in B (slika 31) Za b = 2a na ta način rešimo problem
podvojitve kocke ∣OA∣ = a 3radic
2
Ukrivljenost κ(t) toksoide T v točki ki ustreza parametru t brez težav
53
izračunamo iz njenih parametričnih enačb (5)
κ(t) =2(3t2 minus1)
a(1+10t2 +9t4)32
Opazimo da ukrivljenost menja predznak pri t = plusmn1radic
3 kar nam da točki
Pplusmn(4a3plusmn4aradic
39) v katerih ima T prevoja s tangentama s smernima koe-
ficientoma plusmnradic
3 Tangenti oklepata z osjo x kota plusmnπ3 Pritisnjena krožnica
v točki D ki ustreza t = 0 ima za polmer 1∣κ(0)∣ = a2 in središče v točki
S(3a20) (slika 32)
Slika 32 Prevoja toksoide T in pritisnjena krožnica v točki D
Prevoja sta konstruktibilna pri čemer si lahko pomagamo z vesico pis-
cis nad daljico OD Njeni točki Vplusmn sta narazen za aradic
3 premici skozi O
in Vplusmn pa določata smeri tangent v prevojih Prav tako je konstruktibilna
točka S V okolici točk D in Pplusmn je ujemanje toksoide s pritisnjeno krožnico
v D in tangentama v prevojih Pplusmn zelo dobro
54
Enačba toksoide T v polarnih koordinatah in ϕ je
(ϕ) =a
cos3ϕ
kar sledi iz njene implicitne oblike
a(x2 +y2) = x3
Pri tem je treba le upoštevati zvezi x2 +y2 = 2 in x = cosϕ
Polarna oblika je zelo primerna za študij inverzije na krožnici s središčem
v točki O in polmerom R Če je namreč lowast polarni polmer invertirane
krivulje mora veljati relacija
(ϕ)lowast(ϕ) =R2
Če izberemo R = a dobimo za inverzno sliko toksoide T krivuljo (slika 33)
T lowast ki ima nasledno enačbo v polarnih koordinatah
lowast(ϕ) = acos3ϕ
Slika 33 Inverzna slika T lowast toksoide T
55
Iz polarne oblike krivulje T lowast hitro izpeljemo še njeno implicitno enačbo
(x2 +y2)2 = ax3
Torej je T lowast algebrska krivulja četrte stopnje
Ploščino S lika ki ga ograjuje krivulja T lowast izračunamo po znani for-
muli
S = 2 sdot12 int
π2
0lowast2(ϕ)dϕ = a2
int
π2
0cos6ϕdϕ = a2 sdot
56
sdotπ2=
5πa2
32
Krivulja T lowast je simetrična glede na os x v točkah O in D ima navpični
tangenti največji odklon od osi x pa doseže v točkah Yplusmn(9a16plusmn3aradic
316)
kjer ima vodoravni tangenti in sicer pri polarnih kotih plusmnπ6
De Slusove pomnoževalke hiperkock
Podvojitev kocke je kot vemo klasični grški geometrijski problem ki se ga
ne da rešiti evklidsko to je samo z neoznačenim ravnilom in šestilom kar
so dokazali šele v 19 stoletju Problem zahteva določiti rob kocke ki ima
prostornino enako dvakratniku prostornine dane kocke To pomeni da
je treba za dano daljico a konstruirati tako daljico b za katero je b = a 3radic
2
Problem podvojitve kocke so Grki znali rešiti na več načinov Eden od njih
je možen s posebno ravninsko krivuljo z Dioklovo cisoido (več na primer
v [7])
Povsem smiselno se je vprašati kako bi pomnožili s faktorjem s gt 0
poljubno r-razsežno hiperkocko z robom a Njena prostornina je ar zato
je b = a rradics rob hiperkocke katere prostornina je s-kratnik prostornine
hiperkocke z robom a Dva primera sta trivialna Za r = 1 imamo daljico
56
njena rdquoprostorninardquo je kar njena dolžina a za r = 2 pa kvadrat čigar rdquopros-
torninardquo je kar njegova ploščina a2 Za r = 3 imamo opraviti z običajno
kocko z običajno prostornino a3 V prvih dveh primerih množenje s fak-
torjem s ni problematično saj s problemom lahko geometrijsko rešimo s
podobnimi trikotniki in z višinskim izrekom v pravokotnem trikotniku
Za r ge 4 si r-razsežno hiperkocko teže predstavljamo ker je ne moremo
realizirati z običajno geometrijo To pa ni ovira pri pomnožitvi take hiper-
kocke s številom s ker moramo znati samo njen rob a geometrijsko pom-
nožiti s številom rradics kar pa lahko naredimo v običajni ravnini V mate-
matični analizi je r-razsežna hiperkocka z robom a na primer kar r-kratni
kartezični produkt intervala [minusa2a2] s samim seboj to je množica
[minusa2a2]r = (x1x2 xr) isinRr ∶ ∣x1∣ le a2 ∣x2∣ le a2 ∣xr ∣ le a2
Oglejmo si de Slusove perle (2) z eksponenti mn =mminus 1 in p = 1 fak-
torjem k = 1 ter a gt 0 pri čemer je m sodo število to se pravi krivulje z
implicitno enačbo
ym = xmminus1(aminusx) (6)
oziroma xm + ym = axmminus1 Pri danem m označimo ustrezno krivuljo s Hm
Med njimi je tudi stara znanka x2 + y2 = ax krožnica s polmerom a2
in središčem v točki S(a20) Skupne vsem krivuljam so točke O(00)
Cplusmn(a2plusmna2) D(a0) ter navpični tangenti v O in D Krivulje Hm so za-
ključene in simetrične glede na os x in se dajo lepo parametrizirati z y = tx
Za vsako dobimo parametrično enačbo
x(t) =a
1+ tm y(t) =
at1+ tm
(7)
Najbolj se taka krivulja oddalji od abscisne osi za t = 1 mradicmminus1 v točkah
Yplusmn(a(mminus1)mplusmnam mradic
(mminus1)mminus1) Za t = 0 dobimo točko D za ∣t∣rarrinfin pa
57
se krivulja bliža točki O Slika 34 kaže nekaj primerov
Slika 34 Nekaj krivulj Hm
Naj bo s poljubno pozitivno število in A(0as) točka na osi y Premica
skozi A in D preseka krivuljo Hm v točkah D(a0) in B(x0y0) za katero
potrebujemo samo razmerje y0x0 Na sliki 35 je izbran eksponent m = 4
Premica skozi A in D ima enačbo xa+sya = 1 iz katere izrazimo aminusx = sy
in vstavimo v enačbo (6) Dobimo ym = ysxmminus1 Ker iščemo točko B s
pozitivno ordinato lahko z y krajšamo in dobimo y0x0 =mminus1radics
Premica skozi O in B ima enačbo y = y0xx0 in preseka premico x = a
v točki C(aay0x0) oziroma C(aa mminus1radics) Zato je ∣DC∣ = ∣OD ∣ mminus1
radics) V
primeru m = 4 in s = 2 je ∣DC∣ = ∣OD ∣3radic
2) kar pomeni da se nam je pos-
rečilo podvojiti trirazsežno kocko Za s = 3 kocko potrojimo za s = 4
početverimo itd Še več zam = 6 in s = 2 podvojimo 5-razsežno hiperkocko
58
za s = 3 jo potrojimo za s = 4 početverimo itd
Slika 35 Krivulja H4 in pomnožitev roba trirazsežne kocke
Lihih m nam ni treba posebej obravnavati ker krivulje Hm ne bi bile
prave de Slusove perle Poleg tega bi tedaj bil mminus 1 sodo število denimo
m minus 1 = 2αq z naravnim α in lihim q Korenjenje se potem da izvesti z
α-kratnim kvadratnim korenjenjem in enim q-tim korenjenjem s krivuljo
Hq+1 kakor smo zgoraj opisali
Drug način za pomnožitev hiperkock poteka s cisoidami Cm krivuljHm
in premice x = a Pri parametru t premica y = tx preseka premico x = a
v točki C(aat) točka B pa ima tedaj koordinati dani z parametričnima
enačbama (7) S koordinatami točk B in C imamo takoj
ETHBC = (aminus
a1+ tm
at minusat
1+ tm) = (
atm
1+ tmatm+1
1+ tm)
59
Slika 36 Nekaj krivulj Cm
Da bo točka T na cisoidi Cm mora veljati zvezaETHOT =
ETHBC Potemtakem ima
Cm parametrični enačbi
x(t) =atm
1+ tm y(t) =
atm+1
1+ tm (8)
Ker je t = yx dobimo še implicitno enačbo krivulje Cm
xm+1 = ym(aminusx) (9)
oziroma x(xm+ym) = aym Krivulje so za sodem definirane nad intervalom
60
[0a) so simetrične glede na os x imajo za asimptoto premico x = a in
potekajo skozi koordinatno izhodišče O in točki Cplusmn(a2plusmna2) Asimptoti
se krivulja bliža ko ∣t∣ rarr infin V točki O pri t = 0 imajo ost z vodoravno
tangento Za m = 2 dobimo staro znanko Dioklovo cisoido
Slika 37 Krivulja C4 in pomnožitev roba 5-razsežne hiperkocke
Izberimo sedaj na ordinatni osi točko A(0as) pri čemer je s pozi-
tivno število in vzemimo premico skozi točki A in D (slika 37) Ta ima
enačbo xa + y(as) = 1 iz katere izrazimo a minus x = ys Premica preseka
cisoido Cm v točki M(x0y0) s pozitivno ordinato Iz enačb premice skozi
A in D in (9) dobimo y0x0 = m+1radics Premica skozi točki O in M ima
enačbo y = y0xx0 in preseka premico x = a v točki E(aa m+1radics) Torej velja
61
zveza ∣DE∣ = ∣OD ∣ m+1radics kar pomeni da smo našli rob (m + 1)-razsežne
hiperkocke ki ima za prostornino s-kratnik prostornine dane (m + 1)-
razsežne hiperkocke
Naj bo Sm ploščina lika ki ga omejuje krivulja Hm in Qm ploščina
neomejenega lika ki ga omejuje krivulja Cm z asimptoto Ni ju težko
izraziti
Pm =a2(mminus1)πm2 sin π
m Qm =
a2(m+1)πm2 sin π
m
Nadalje naj bo Vm prostornina telesa ki nastane z rotacijo krivulje Hm
okoli osi x Wm pa prostornina neomejenega telesa ki nastane z rotacijo
krivulje Cm okoli osi x Prav tako ju ni težko izraziti
Vm =2a3(mminus1)(mminus2)π2
3m3 sin 2πm
Wm =2a3(m+1)(m+2)π2
3m3 sin 2πm
Ploščine in prostornine so poleg drugega zanimale že matematike v
17 stoletju zlasti C Huygensa Izračunajmo prostornino telesa Um ki
nastane z rotacijo lika med cisoido in njeno asimptoto okoli te asimptote
(slika 38) Uporabili bomo sodobne zapise in Eulerjevi funkciji B in Γ ki
ju C Huygens še ni mogel poznati Presek nastalega telesa na višini y je
krog s polmerom aminusx in ploščino π(aminusx)2 Upoštevamo še simetrijo lika
glede na os x uporabimo parametrično obliko (8) in nastavimo integral
Um = 2πintinfin
0(aminusx(t))2y(t)dt = 2πa3
int
infin
0
tm(tm +m+1)(1+ tm)4 dt
ki ga lahko izrazimo v obliki
Um = 2πa3(I2 + (mminus1)I3 minusmI4)
pri čemer je
Ik = intinfin
0
dt
(1+ tm)k
62
ki ima za m ge 2 in k ge 1 končno vrednost S substitucijo u = 1(1 + tm)
dobimo
Ik =1m int
1
0ukminus1minus1m(1minusu)1mminus1du =
1m
B(kminus1m1m) =Γ(k minus1m)Γ(1m)
mΓ(k)
Na koncu je rezultat zelo preprost
Um =2π2a3(m2 minus1)
3m3 sin πm
Prve tri prostornine so
U2 =π2a3
4 U4 =
5radic
2π2a3
32 U6 =
35π2a3
162
Slika 38 Telo nastalo z zasukom lika med krivuljo C2 in njeno asimptoto
okoli te asimptote
Izračunajmo prostornino telesa Um ki nastane z rotacijo lika med cisoido
in njeno asimptoto okoli osi y (slika 39) Presek nastalega telesa na višini y
63
je krožni kolobar z notranjim polmerom x in zunanjim polmerom a ki ima
ploščino π(a2minusx2) Upoštevamo še simetrijo lika glede na os x uporabimo
parametrično obliko (8) in nastavimo integral
Um = 2πintinfin
0(a2 minusx2(t))y(t)dt = 2πa3
int
infin
0
tm(tm +m+1)(2tm +1)(1+ tm)4 dt
ki ga lahko izrazimo z zgoraj vpeljanimi integrali Ik v obliki
Um = 2πa3(2I1 + (2mminus3)I2 minus (3mminus1)I3 +mI4)
Na koncu dobimo za rezultat
Um =2π2a3(m+1)(2m+1)
3m3 sin πm
Prve tri prostornine so
U2 =5π2a3
4 U4 =
15radic
2π2a3
32 U6 =
91π2a3
162
V 17 stoletju so se zanimali tudi za težišča homogenih likov in teles
Lik ki ga omejuje krivulja Hm ima težišče na abscisni osi oddaljen za xT
od osi y Da bi lahko poiskali xT moramo najprej izračunati za ta lik
moment
Mm = 2inta
0xy dx = 2int
0
infinx(t)y(t)xdt = 2a3mint
infin
0
tm
(1+ tm)4 dt
Izrazimo z integrali Ik in dobimo
Mm = 2a3m(I3 minus I4) =πa3(mminus1)(2mminus1)
3m3 sin πm
Abscisa težišča lika je potem kvocient momenta Mm in ploščine Sm
xT =(2mminus1)a
3m
64
Slika 39 Telo nastalo z zasukom lika med krivuljo C2 in njeno asimptoto
okoli osi y
Lik omejen s krivuljo Cm ima težišče na abscisni osi oddaljen za xC
od osi y Da bi poiskali xC uporabimo kar PaposndashGuldinovo pravilo za
prostornino vrtenine
2πxC sdotQm = Um
kjer je Qm ploščina lika ki ga rotiramo okoli osi y Rezultat je proti vsem
pričakovanjem zelo preprost
xC =(2m+1)a
3m
Poznoantični matematik Papos iz Aleksandrije (290ndash350) v grščini Πάπ-
πος ὁ Αλεξανδρεύς v latinščini Pappus je pomemben ker je zbral prak-
tično vse dotakratno matematično znanje Grkov in dodal še marsikaj svo-
65
jega Njegovo najpomembnejše delo je rdquoZbirkardquo v grščini Συναγωγή Uk-
varjal se je tudi s klasičnimi grškimi geometrijskimi problemi
Jezuit Paul Guldin (1577ndash1643) je bil švicarski matematik in astronom
profesor matematike na Dunaju in v Gradcu Pred tem je študiral v Rimu
Skupaj s Paposom je znan
po pravilih za izračun prostornine rotacijskega telesa in površine rotacij-
ske ploskve
Slika 40 Telo nastalo z zasukom lika ki ga omejuje H4 okoli osi y
ProstorninaXm vrtenine ki nastane z rotacijo lika omejenega s krivuljo
Hm okoli osi y je po PaposndashGuldinovem pravilu za prostornino enaka
Xm = 2πxT sdot Pm = 2π(2mminus1)a
3msdota2(mminus1)πm2 sin π
m=
2π2a3(2mminus1)(mminus1)3m3 sin π
m
Slika 40 kaže vrtenino za primer krivulje H4 Podobne slike bi dobili tudi
za druge Hm
Če isti lik rotiramo okoli premice x = a tangente na krivuljo Hm v
točki D dobimo vrtenino s prostornino Ym ki jo izračunamo prav tako
66
po PaposndashGuldinovem pravilu za prostornino in dobimo
Ym = 2π(aminusxT ) sdot Pm = 2π(m+1)a
3msdota2(mminus1)πm2 sin π
m=
2π2a3(m2 minus1)3m3 sin π
m
Opazimo da je prostornina Ym enaka prostornini Um telesa ki nastane
z rotacijo lika med krivuljo Cm in njeno asimptoto okoli te asimptote
Dokler ni bil razvit infinitezimalni račun kakršnega poznamo danes
so računali ploščine težišča prostornine in površine za vsak primer pose-
bej Veliko so se v 17 stoletju pa tudi že prej znani matematiki ukvarjali
s cikloido na primer N Kuzanski M Mersenne G Galilei G P de Rober-
val C Wren G Cardano B Pascal I Newton G W Leibniz C Huygens
je neko njeno lastnost uporabil pri izdelavi ure na nihalo
Evdoksova kampila
Oglejmo si naslednjo konstrukcijo točk krivulje V točki D(a0) pri čemer
je a gt 0 postavimo pravokotnico p na abscisno os Na p izberemo točko
A ki jo bomo kasneje premikali po tej premici Skozi O in A načrtamo
premico q in skozi A krožnico s središčem v koordinatnem izhodišču O
Krožnica preseka abscisno os v točkah B in Bprime ki sta simetrični glede na
točko O V B in Bprime konstruiramo pravokotnici r in rprime na os x ki presekata
p v točkah T in T prime ki sta tudi simetrični glede na točko O Ko teče točka
A po premici p opišeta T in T prime dvodelno krivuljo ki so jo poimenovali
rdquoEvdoksova kampilardquo Točka T opiše njeno desno vejo T prime pa levo Krivulja
je očitno simetrična glede na obe koordinatni osi (slika 41)
Enačbo desne veje dobljene Evdoksove kampile je najlaže najprej izraz-
iti v polarnih koordinatah nato pa še v implicitni obliki v pravokotnih
67
Slika 41 Konstrukcija točk Evdoksove kampile
kartezičnih koordinatah Za polarni kot ϕ vzamemo naklonski kot pre-
mice q za polarni radij pa razdaljo ∣OT ∣ (slika 41) Najprej očitno veljata
zvezi ∣OA∣ = ∣OD ∣cosϕ = acosϕ in = ∣OT ∣ = ∣OB∣cosϕ = ∣OA∣cosϕ iz
katerih dobimo = acos2ϕ tako da je nazadnje pri pogoju minusπ2 ltϕ ltπ2
polarna enačba desne veje Evdoksove kampile
(ϕ) =a
cos2ϕ (10)
Obe veji krivulje imata implicitno obliko
a2(x2 +y2) = x4 (11)
ki jo dobimo iz polarne oblike z upoštevanjem zvez 2 = x2 + y2 in cosϕ =
x Krivulja v obliki (11) ima izolirano točko O(00) ki je posledica del-
jenja z ki je lahko tudi enak 0 Evdoksova kampila je algebrska krivulja
četrte stopnje
Z Evdoksovo kampilo se da podvojiti kocko Načrtamo krožnico s
središčem v točkiD in polmerom a Njena enačba je x2+y2 = 2ax Vstavimo
68
Slika 42 Podvojitev kocke z Evdoksovo kampilo
2ax namesto x2 + y2 v (11) in dobimo enačbo x4 minus2a3x = x(x3 minus2a3) = 0 ki
ima realni rešitvi x0 = 0 in x1 = a 3radic
2 V prvem kvadrantu se krožnica in
Evdoksova kampila sekata v točki T (a 3radic
2aradic
2 3radic
2minus 3radic
4) kar pomeni da
ima točka T absciso
∣T0T ∣ = b = a 3radic2
Kocka z robom b ima prostornino b3 = 2a3 torej dvakratnik prostornine
kocke z robom a
Grška beseda καμπύλος pomeni rdquokriv zavit upognjenrdquo v ženski ob-
liki καμπύλη beseda γραμμή pa rdquočrta potezardquo Polno ime krivulje je v
grščini καμπύλη γραμμή torej rdquokriva črtardquo na kratko so jo poimenovali kar
rdquokampilardquo kateri so dodali še Evdoksovo ime Evdoks iz Knida (408ndash355
pnš) Εὔδοξος ὁ Κνίδιος je bil starogrški matematik in astronom Bil je
Arhitov učenec v Tarentu grško Τάρας in Platonov na Akademiji v Ate-
nah Obiskal je tudi Sicilijo in Egipt Kasneje je ustanovil svojo šolo v
Kiziku grško Κύζικος ob Mramornem morju ali Propontidi grško Προ-
ποντίς Pomemben je njegov doprinos v teoriji razmerij in nesoizmerljivih
količin kar je uporabil Evklid Εὐκλείδης v svojih Elementih Στοιχεῖα
69
Grška beseda εὔδοξος pomeni med drugim rdquosloveč slaven ugledenrdquo
V astronomiji je Evdoks zagovarjal geocentrični svetovni sistem in za
pojasnitev gibanja planetov in Lune uvedel sistem koncentričnih sfer ki
se vrtijo ena v drugi S tem v zvezi je uvedel še eno krivuljo ki jo poznamo
pod imenom rdquoEvdoksova hipopedardquo
Problem podvojitve kocke je na svojevrsten način s torusom valjem
in stožcem rešil pitagorejec in vojaški poveljnik Arhitas iz Tarenta v južni
Italiji grško Αρχύτας ὁ Ταραντίνος rojen med letoma 435 in 410 umrl
pa med letoma 360 in 350 pnš Morda je Evdoks Arhitovo prostorsko
rešitev problema podvojitve kocke poenostavil na reševanje v ravnini in
tako prišel do svoje kampile Dokazano to ni nikjer ve se le da mu je
rešitev uspelo najti z neko krivuljo Način reševanja pa je podoben reše-
vanju z Uhlhornovo toksoido ki ima tudi podobno enačbo v polarni obliki
(ϕ) = acos3ϕ
Tako Uhlhornova toksoida kot Evdoksova kampila spadata v skupino
Clairautovih krivulj = acosnϕ ali = asinnϕ Če je n racionalno število
je Clairautova krivulja algebrska Alexis Claude Clairaut (1713ndash1765) je
bil francoski matematik in astronom
Evdoksovo kampilo brez izolirane toke O parametriziramo kar s po-
larnim kotom
x(ϕ) =a
cosϕ y(ϕ) =
asinϕcos2ϕ
Njena ukrivljenost κ(ϕ) se izraža v obliki
κ(ϕ) =cos3ϕ(3sin2ϕ minus1)
a(3sin2ϕ +1)32
Ukrivljenost spremeni predznak pri kotu ϕ za katerega je 3sin2ϕ minus1 = 0
V takih točkah ima krivulja prevoje Evdoksova kampila ima štiri in sicer
70
Slika 43 Desna veja Evdoksove kampile prevoja in pritisnjena krožnica
v točkah (plusmnaradic
62plusmnaradic
32) Strmini tangent v teh točkah sta plusmn2radic
2 Os x
presekata za desno vejo v točki G(3aradic
680) Krivinski polmer v točkah
D inDprime je enak a Središče pritisnjene krožnice v točkiD je v točki S(2a0)
Približno ujemanje krivulje tangent v prevojih Pplusmn in pritisnjene krožnice v
temenu D kaže slika 43 Ujemanje bi lahko izkoristili za približno podvo-
jitev kocke Če namesto Evdoksove kampile vzamemo kar njeno tangento
y = 2radic
2(xminusaradic
62)+aradic
32
v prevoju v prvem kvadrantu in poiščemo absciso ξ presečišča s krožnico
x2 +y2 = 2ax dobimo
ξa=
118
radic
24radic
6minus23+
radic6
3+
19≐ 1259956951
namesto točnejše vrednosti
3radic
2a
≐ 1259921049
71
Če bi podoben račun naredili za Uhlhornovo toksoido ki se v prevojih
tudi približno ujema s tangentama bi dobili slabši rezultat
Zgoraj opisani približek lahko izkoristimo za precej natančno evklid-
sko konstrukcijo roba b podvojene kocke z robom a V koordinatnem sis-
temu Oxy narišemo krožnico s polmerom a s središčem v točki D(a0)
skozi O pa konstruiramo premico p z naklonskim koeficientom k = 2radic
2
Na abscisni osi konstruiramo točkoG(3aradic
680) in skoznjo premico q vz-
poredno s p Presečišče te premice s krožnico je točka T njena pravokotna
projekcija na os y pa točka T0 Razdalja b = ∣T0T ∣ je dober približek za
a 3radic
2 (slika 44) Pri tem izkoristimo izraza za diagonalo kvadrata in višino
enakostraničnega trikotnika v katerih nastopataradic
2 inradic
3 s kombinacijo
obeh pa šeradic
6 Podrobnosti so izpuščene z malo truda lahko konstrukcije
izvede vsak sam
Slika 44 Približna podvojitev kocke
Zrcalno sliko Evdoksove kampile (11) na krožnici x2 + y2 = a2 takoj
dobimo iz polarne oblike njene desne veje lowast(ϕ) = acos2ϕ Z zapisom v
pravokotnih kartezičnih koordinatah dobimo implicitno obliko za celotno
prezrcaljeno krivuljo
(x2 +y2)3 = a2x4
72
Krivulja je algebrska šeste stopnje Simetrična je glede na obe koordinatni
osi Njeni največji odkloni od osi x so pri polarnih kotih ϕ za katere je
3sin2ϕ = 1 to je v točkah (plusmn2aradic
69plusmn2aradic
39) kjer ima krivulja vodo-
ravni dvojni tangenti
Slika 45 Zrcaljenje Evdoksove kampile na krožnici
Nova krivulja spada med Clairautove Ploščina P obeh delov jajčastih
oblik je
P = 4 sdota2
2 intπ2
0cos4ϕdϕ = 2a2 sdot
34
sdotπ2=
3πa2
8
Problem podvojitve kocke grško διπλασιασμός τοῦ κύβου ali deloški
problem poimenovan po grškem otoku Delosu v Egejskem morju je reše-
valo več grških geometrov ki so celo skušali izdelati v ta namen posebno
orodje Platon je pograjal Evdoksove Arhitove in Menajhmove učence
češ da njihovi napori kvarijo kar je dobrega v geometriji Nastal je celo
epigram (puščica zbadljivka) v zvezi s podvojitvijo kocke ki je zapisan v
Evtokijevih komentarjih k Arhimedovi razpravi rdquoO krogli in valjurdquo grško
Περὶ σφαίρας καὶ κυλίνδρου Matematik in neoplatonist Evtokij iz Aškalona
v Palestini Εὐτόκιος ὁ Ασκαλονίτης je bil poznoantični matematik rojen
73
okoli leta 480 umrl pa je okoli leta 520 O njem se ve bore malo Nekaj
časa je deloval v Atenah nazadnje pa v Aleksandriji Napisal je tudi ko-
mentarje k Apolonijevi razpravi rdquoStožnicerdquo v grščini Κωνικά Na stožnice
se je v srednjem kar nekoliko pozabilo zanimanje zanje je spet oživelo
šele v času Keplerja in Newtona ko je bil potreben opis gibanja planetov
v heliocentričnem svetovnem sistemu
Navedimo omenjeni epigram v grščini in v prevodu S Weiss (vzeto iz
obsežnega knjižnega dela v treh delih [3])
Μηδὲ σύ γrsquo Αρχύτεω δυσμήχανα ἔργα κυλίνδρων
μηδὲ Μεναιχμείους κωνοτομεῖν τριάδας
διζήσηι μηδrsquo εἴ τι θεουδέος Εὐδόξοιο
καμπύλον ἐν γραμμαῖς εἶδος ἀναγράφεται
Težkih Arhitovih del s cilindri nikar ne posnemaj
stožnic Menajhmovih treh nikdar izsekal ne boš
niti ne boš spoznal če božanskega črte Evdoksa
res zarišejo lik tak iz zavitih kampil
Videli smo kaj vse se da povedati o neki krivulji če obvladamo in-
finitezimalni račun Seveda nam je to sedaj ko imamo na voljo najnovejše
pripomočke in obsežno ter dostopno matematično literaturo veliko laže
kot je bilo matematikom v 17 stoletju ko so v marsičem še orali ledino
Pomembni znanstveniki rojeni v 17 stoletju
Navedimo nekaj pomembnih znanstvenikov predvsem matematikov fizi-
kov in astronomov ki so se rodili v 17 stoletju Razvrščeni so po letnicah
74
rojstva Veliko podatkov dobimo v [1 5] in na svetovnem spletu
Gilles Personne de Roberval (1602ndash1675)
Pierre de Fermat (1607ndash1665)
Giovanni Alfonso Borelli (1608ndash1679)
Evangelista Torricelli (1608ndash1647)
John Pell (1610ndash1685)
Johann Hevel (1611ndash1687)
Frans van Schooten (1615ndash1660)
Carlo Renaldini (1615ndash1698)
John Wallis (1616ndash1703)
Henry Oldenburg (1618ndash1677)
Michelangelo Ricci (1619ndash1682)
William Brouncker (1620ndash1684)
Edmeacute Mariotte (1620ndash1684)
Jean Picard (1620ndash1682)
Vincenzo Viviani (1622ndash1703)
Reneacute-Franccedilois de Sluse (1622-1685)
Blaise Pascal (1623ndash1662)
Giovanni Domenico Cassini (1625ndash1712)
Robert Boyle (1627ndash1691)
Christiaan Huygens (1629ndash1695)
Isaac Barrow (1630ndash1677)
Ehrenfried Walther von Tschirnhaus (1631ndash1708)
Christopher Wren (1632ndash1723)
Johann Hudde (1633ndash1704)
Robert Hooke (1635ndash1703)
75
William Neile (1637ndash1670)
James Gregory (1638ndash1675)
Philippe de la Hire (1640ndash1719)
Isaac Newton (1643ndash1727)
Olaus Roslashmer (1644ndash1710)
Gottfried Wilhelm Leibniz (1646ndash1716)
Denis Papin (1647ndash1712)
Michel Rolle (1652ndash1719)
Pierre Varignon (1654ndash1722)
Jacob Bernoulli (1655ndash1705)
Edmund Halley (1656ndash1742)
Guillaume Franccedilois Antoine LrsquoHocircpital (1661ndash1704)
David Gregory (1661ndash1708)
Abraham de Moivre (1667ndash1754)
Johann Bernoulli (1667ndash1748)
Jacopo Francesco Riccati (1676ndash1754)
Giulio Carlo Fagnano (1682ndash1766)
Roger Cotes (1682ndash1716)
Reneacute Antoine Reacuteaumur (1683ndash1757)
Greacutegoire de Saint-Vincent (1584ndash1667)
Brook Taylor (1685ndash1731)
Gabriel Daniel Fahrenheit (1686ndash1736)
Colin Maclaurin (1698ndash1746)
Pierre Louis Moreau de Mapertuis (1698ndash1759)
76
Viri
[1] I Asimov Biografska enciklopedija znanosti in tehnike Tehniška za-
ložba Slovenije Ljubljana 1978
[2] J Bair V Henry Sluse ses perles et son algorithme Losanges 14
(2011) str 14ndash18 httphdlhandlenet2268100155 (videno 10
7 2021)
[3] G Kocijančič (urednik) Fragmenti predsokratikov Študentska za-
ložba Ljubljana 2012
[4] G Loria Spezielle algebraische und transscendente ebene Kurven
Teubner Leipzig 1902
[5] U C Merzbach C B Boyer A History of Mathematics John Wiley amp
Sons Hoboken New Jersey 2011
[6] J J OrsquoConnor E F Robertson Reneacute Franccedilois Walter de Sluze MacTu-
tor
httpsmathshistoryst-andrewsacukBiographiesSluze
(videno 10 7 2021)
[7] B von Pape Von Eudoxus zu Uhlhorn Books on Demand Norderstedt
2019
[8] M Razpet Pomnožitev hiperkocke Obzornik mat fiz 68 (2021) št 1
str 1-9
[9] M Razpet in N Razpet Prepogibanje papirja podvojitev kocke in
Slusova konhoida Obzornik mat fiz 67 (2020) št 2 str 41-51
77
[10] Y Renotte Reneacute de Sluze dialogues avec Christiaan Huygens
Bulletin de lrsquouniversiteacute du 3e acircge - Liegravege 23 (2021) 4 strani
httphdlhandlenet22682596400 (videno 10 7 2021)
[11] R F Slusius Mesolabum seu duaelig mediaelig proportionales inter ex-
tremas datas per circulum et ellipsim vel hyperbolam infinitis modis
exhibitaelig Leodii Eburonum Liegravege 1659
[12] R F Slusius Mesolabum seu duaelig mediaelig proportionales inter ex-
tremas datas per circulum et per infinitas hyperbolas vel ellipses et
per quamlibet exhibitaelig ac problematum omnium solidorum effectio
per easdem curvas Leodii Eburonum Liegravege 1668
[13] D Uhlhorn Entdeckungen in der houmlhern Geometrie theoretisch und
practisch abgehandelt Schulzersquosche Buchhandlung Oldenburg 1809
[14] I Vidav Algebra Mladinska knjiga Ljubljana 1972
Avtor se zahvaljuje prof dr Milanu Hladniku za strokovni pregled
copy(2021) Marko Razpet
78
Slika 6 Končna lega pravokotnikov Eratostenovega mesolabuma
B3T F dobimo sorazmerja
bu=y
v=xwy
u=xv=aw
iz katerih sledijo relacije
xw = av xv = yw yv = ux bv = uy
Iz prve druge tretje in četrte dobimo po vrsti
ax=wvwv=xyxy=vuvu=y
b
Sedaj je nedvomno razvidno da je res
ax=xy=y
b
Tako lahko z Eratostenovo napravo najdemo prvo in drugo srednjo ge-
ometrijsko sorazmernico daljic a in b Podobno bi lahko našli tudi več
srednjih geometrijskih sorazmernic daljic a in b
16
So pa matematiki že davno odkrili da se da srednji geometrijski so-
razmernici najti tudi s parabolama Iz relacije (1) namreč sledita preprosti
zvezi
x2 = ay y2 = bx
V prvi spoznamo enačbo parabole ki ima za simetralo ordinatno os gorišče
v točki F(0a4) in vodnico y = minusa4 v drugi pa enačbo parabole ki ima za
simetralo absciso os gorišče v točki G(b40) in vodnico x = minusb4 (slika 7)
Slika 7 Do srednjih geometrijskih sorazmernic s parabolama
Paraboli se sekata v točkah O(00) in A(3radica2b
3radicab2) Konstrukcijo je
odkril Menajhmos grško Μέναιχμος ki je živel v 4 stoletju pnš Prvi je
vpeljal stožnice kot preseke stožca z ravnino Teorijo stožnic je temeljito
obdelal Apolonij iz Perge (265ndash170 pnš) grško Απολλώνιος ὁ Περγαῖος
Njegove knjige so matematiki uporabljali še vse do Newtonovih časov
Prav tako pridemo do srednjih geometrijskih sorazmernic če poiščemo
presečišči parabole x2 = ay z goriščem F(0a4) in vodnico y = minusa4 ter
krožnice x2 + y2 = bx + ay ki ima središče v točki S(b2a2) in premer
17
Slika 8 Do srednjih geometrijskih sorazmernic s parabolo in krožnico
d =radica2 +b2 Parabola in krožnica se sekata v točkah O in A(
3radica2b
3radicab2)
(slika 8) kar potrdi preprost račun Opisano konstrukcijo je obvladal Reneacute
Descartes Menajhmos in Descartes sta pokazala da se z njunima kon-
strukcijama da rešiti problem podvojitve kocke Za b je treba v opisanih
postopkih vzeti 2a Pripomnimo še da je bila starogrška matematika
pretežno matematika razmerij in sorazmerij in tako je bilo še celo vrsto
stoletij Srednjo geometrijsko sorazmernico x daljic dolžin a in b tako
da velja a ∶ x = x ∶ b iz česar sledi x =radicab se da konstruirati z neoz-
načenim ravnilom in šestilom Spomnimo se na višinski izrek v pravokot-
nem trikotniku ki je pravzaprav posledica podobnosti dveh trikotnikov
na katera višina na hipotenuzo razdeli pravokotni trikotnik
Pri dveh srednjih geometrijskih sorazmernicah x in y pa se kot smo
videli pojavi kubični koren ki pa z omenjenima geometrijskima orodjema
ni konstruktibilen To so matematiki dokazali šele v 19 stoletju Do takrat
so problem skušali rešiti na druge načine in pri tem odkrili nove krivulje
tako da njihov trud le ni bil popolnoma zaman Geometrijski objekt bo za
18
nas rdquokonstruktibilenrdquo če se ga da konstruirati z neoznačenim ravnilom in
šestilom
Drugo de Slusovo delo
De Sluse še vedno velja za izjemno učenega človeka nadarjenega za mate-
matiko izumiteljstvo in posploševanje Njegovo ime je še danes povezano
z njegovimi konhoidami in perlami De Slusova konhoida (slika 9) ki ima
implicitno obliko
(xminus c)(x2 +y2)minus2cx2 = 0
je precej natančno obravnavana v članku [9]
Slika 9 Slusova konhoida
Reneacute de Sluse se ni ukvarjal le z matematiko ampak tudi z astronomijo
fiziko naravoslovjem in seveda teologijo Pogosto se je pritoževal nad
omejitvami ki so mu jih nalagale njegove verske in upravne funkcije
Ni veliko eksperimentiral ker za to ni imel posebnega veselja pa tudi
ne tehničnih možnosti Je pa predlagal drugim zlasti Huygensu da naj
naredijo tak ali drugačen eksperiment Z zanimanjem je bral prepovedane
19
knjige N Kopernika G Galileja in J Keplerja ter kritiziral prizadevanja za
obnovitev starih konceptov Pisal je že o ekscentričnosti v zvezi s Soncem
Zdi se da je za svoje izračune uporabljal oba sistema heliocentričnega
in geocentričnega Rad je opazoval zvezdnato nebo Tako v kemiji kot
drugje se je znašel na razpotju Prebral je modne knjige o alkimiji in
celo ponovil poskus sublimacije antimona v belo barvo vendar je bila nje-
gova razlaga odločno korpuskularna saj je uporabljal Boylove zamisli o
strukturi tekočega in trdnega stanja V podporo temu je izvajal poskuse
zamrzovanja različnih raztopin in študiral sestavo lojevca V medicinski
kemiji se je zanimal za zdravilne vode in jih tudi analiziral
V fiziki sta ga je posebej zanimala merjenje temperature in praktična
termometrija Če ne upoštevamo odkritij E Torricellija in B Pascala o
vplivu atmosferskega tlaka na zračni termometer je de Sluse leta 1664
izumil svoj termometer z voščeno kroglico pomešano s peskom ki se je
gibala v stekleni cevi zaprti na dnu napolnjeni s slano vodo tako da je
bila kroglica bolj ali manj potopljena v sredini cevi kar je opisal v pismih
Huygensu Kroglica je označevala vsako spremembo v zraku iz toplejšega
na hladnejše ko se je spuščala ali dvigala Huygens je odgovoril da je
njegov termometer prepočasen vendar je zanesljivejši od drugih istovrst-
nih termometrov ker je manj podvržen vplivu atmosferskega tlaka Žal
ni poznal florentinskega termometra ko je svojim dopisnikom vključno s
Huygensom in Oldenburgom povedal o svojem izumu Florentinski ter-
mometri so pomenili odločilen korak naprej pri merjenju temperature
Bili so prvi ki so omogočali natančne meritve Pred iznajdbo v Firencah
okoli leta 1650 so bili stari modeli zelo približni določali so ali je pred
nami nekaj hladnega ali vročega ne da bi lahko odčitali ali ocenili tem-
peraturo Razlika je v tem da je steklena cev zaprta tako da je vpliv tlaka
20
odpravljen Uporabljali so se predvsem petdesetstopinjski termometri
Taki termometri so večinoma služili za določanje nihanja temperature zra-
ka v zaprtih prostorih in na prostem Oblikovanje termometra je takrat
pomenilo tudi določitev njegove merilne lestvice vendar še brez Celzijevih
ali Fahrenheitovih stopinj Pri tem so bile stopinje enakomerno razpore-
jene med dvema skrajnostma in sicer med nivojem najhladnejše tekočine
pozimi (nizka točka) in nivojem najbolj vroče tekočine poleti (visoka točka)
Zaradi teh zelo relativnih vrednosti je primerjava meritev med dvema ter-
mometroma nezanesljiva Ob upoštevanju pripomb jo je večkrat spreme-
nil in jo ponovno predložil Oldenburgu do leta 1669 ko je R Boyle izrazil
negativno mnenje glede topnosti voska kroglic v slani tekočini Po tem da-
tumu termometer ni bil nikoli več omenjen De Sluse je zboljšal različne
instrumente ure številčnice barometre Ker ga je motilo prerekanje med
raziskovalci glede avtorstva odkritij je po Oldenburgovi smrti leta 1677
končal svojo znanstveno dejavnost
Šele v 18 stoletju so razvijali temperaturne merilne lestvice C Re-
naldini (1694) O C Roslashmer (1702) G Fahrenheit (1717) Reneacute-Antoine
F de Reacuteaumur (1730) in A Celsius (1741) Enota kelvin (K ndash v čast lordu
Kelvinu 1824-1907) osnovna enota mednarodnega sistema enot za tem-
peraturo je bila uvedena šele leta 1954
De Sluse je bil tudi zgodovinar Napisal je knjigo o smrti sv Lam-
berta škofa v Tongresu ki je bil ubit na kraju kamor je sv Hubert njegov
naslednik prenesel sedež svoje škofije Kraj se je kasneje razvil v Liegravege
Druga zgodovinska študija se nanaša na slavnega maastrichtskega škofa
sv Servacija Med de Slusovimi neobjavljenimi rokopisi je tudi zgodovina
Koumllna Pripomnimo še da je sv Hubert zavetnik lovcev matematikov
optikov in kovinarjev
21
O širini de Sluzovih interesov priča raznolikost tem ki so zajete na
več sto straneh njegovega dela neobjavljenih rokopisov ki jih zdaj hrani
Narodna knjižnica Bibliotheque Nationale v Parizu Čeprav se je ukvarjal
predvsem z matematiko njegovi rokopisi obravnavajo tudi astronomijo
fiziko in naravoslovje
De Slusove perle
Po de Slusu so po zaslugi B Pascala (več o tem v [4]) imenovane tudi
krivulje rdquode Slusove perlerdquo to so krivulje ki se v pravokotnem kartezi-
čnem koordinatnem sistemu Oxy izražajo z enačbo
ym = kxn(aminusx)p (2)
Pri tem so eksponenti mn in p naravna števila a in k pa pozitivni kon-
stanti Glede na parnost eksponentovmn in p formalno razlikujemo osem
možnosti od katerih imamo opravka s perlami le v primeru ko je m sodo
število s pravimi perlami pa v primeru ko je m sodo število n in p pa lihi
števili (slika 10) Skupno tem krivuljam so simetričnost glede na os x in
presečišča s to osjo pri x = 0 in x = a De Sluse je po svoje brez uporabe
odvoda izračunal da njegove perle dosegajo lokalne ekstreme največji
odstop od osi x med 0 in a za x = na(n+p)
V teh primerih je ploščina S lika ki ga ograjuje zanka perle enaka
S = 2k1mint
a
0xnm(aminusx)pmdx = 2k1ma(m+n+p)mint
1
0tnm(1minus t)pmdt
Integracijsko spremenljivko x smo zamenjali z novo spremenljivko t prek
relacije x = at da smo dobili obliko ki jo lahko izrazimo z Eulerjevima
22
Slika 10 Primeri de Slusovih perl
funkcijama B in Γ
S = 2k1ma(m+n+p)mB(nm+1pm+1) =
= 2k1ma(m+n+p)mΓ(nm+1)Γ(pm+1)
Γ((n+p)m+2)=
= 2k1ma(m+n+p)mnp
(m+n+p)(n+p)
Γ(nm)Γ(pm)
Γ((n+p)m)
Pri rotaciji okoli osi x ta lik v prostoru opiše telo s prostornino
V =πk2mint
a
0x2nm(aminusx)2pmdx =πk2ma(m+2n+2p)m
int
1
0t2nm(1minust)2pmdt
23
Slika 11 Zasuk de Slusove perle za m = 2n = 3p = 1k = 001 okoli osi x
Integracijsko spremenljivko x smo tudi to pot zamenjali z novo spremenljivko
t prek relacije x = at da smo dobili obliko ki jo lahko izrazimo z Eulerje-
vima funkcijama B in Γ
V =πk2ma(m+2n+2p)mB(2nm+12pm+1) =
=πk2ma(m+2n+2p)mΓ(2nm+1)Γ(2pm+1)Γ((2n+2p)m+2)
=
= 2πk2ma(m+2n+2p)m np
(m+2n+2p)(n+p)Γ(2nm)Γ(2pm)
Γ((2n+2p)m)
Poseben primer de Slusove perle
Natančneje bomo obravnavali de Slusovo perlo samo primer za m = n = 2
p = 1 in k = 1a to se pravi krivuljo K ki ima implicitno enačbo ay2 =
x2(a minus x) To pa zato ker se posamezne točke te krivulje da preprosto
konstruirati z osnovnim geometrijskim orodjem
24
Geometrijska konstrukcija in analitična obravnava
Do posameznih točk T krivulje K pridemo s preprosto geometrijsko kon-
strukcijo (slika 12) V pravokotnem kartezičnem koordinatnem sistemu
Oxy načrtamo premico x = a kjer je a pozitivna konstanta Skozi koordi-
natno izhodišče O potegnemo premico p ki ima enačbo y = tx in preseka
premico x = a v točki A(ata) Parameter t smerni koeficient premice p s
katerim je sorazmerna ordinata točkeA bomo kasneje spreminjali V točki
A na p postavimo pravokotnico q ki seka os x v točki B V B načrtamo na
q pravokotnico r ki seka premico x = a v točki C nazadnje pa skozi C še
pravokotnico s na r Presečišče premic p in s naj bo točka T (xy) Sedaj
bomo izrazili njeni koordinati x in y s parametrom t
Slika 12 Konstrukcija točke T de Slusove perle K
Premica q ima enačbo y = minus(x minus a)t + at in preseka os x v točki B(a +
at20) Premica r ima enačbo y = t(x minus aminus at2) in preseka premico x = a v
točki C(aminusat3) premica s pa enačbo y = minus(xminus a)t minus at3 Koordinati točke
T sta rešitvi sistema enačb
y = tx y = minusxminusat
minusat3
25
Po krajšem računu dobimo
x(t) = a(1minus t2) y(t) = at(1minus t2) (3)
To sta parametrični enačbi krivulje K Ko spreminjamo t po vseh realnih
vrednostih oziroma ko A drsi po premici x = a točka T (xy) opiše krivuljo
K (slika 13) z zanko ki spominja na perlo
Če si mislimo da je parameter t čas enačbi (3) predstavljata sestav-
ljeno gibanje točkaste mase v dveh med seboj pravokotnih smereh v koor-
dinatni ravnini v smeri osi x po pravilu prve enačbe v smeri osi y pa po
pravilu druge enačbe Tirnica takega gibanja je krivulja K Podoben le da
bolj preprost primer imamo tudi pri gibanju točkaste mase pri poševnem
metu
Slika 13 De Slusova perla K
Ko se t spreminja od zelo velikih negativnih vrednosti potuje T po
loku v drugem kvadrantu navzdol in doseže za t = minus1 prvič točko O Za
minus1 le t le 0 opiše lok v četrtem kvadrantu odO do temenaD(a0) za 0 le t le 1
opiše lok v prvem kvadrantu od D do točke O ki jo doseže drugič za t = 1
za t gt 1 pa se spusti po loku v tretjem kvadrantu navzdol
26
Če upoštevamo (3) dobimo
x2(t)(aminusx(t)) = a2(1minus t2)2 sdotat2 = a(at(1minus t2))2 = ay2(t)
To pomeni da je ay2 = x2(aminusx) implicitna enačba krivulje K in da je K al-
gebrska krivulja tretje stopnje Krivulja K je simetrična glede na os x Za
točke ki so zelo blizu koordinatnemu izhodiščuO je člen x3 zanemarljivo
majhen v primerjavi s kvadratnima členoma zato je tam enačba krivulje
K približno ay2 = ax2 oziroma (y minusx)(y +x) = 0 Ta enačba razpade na dve
y = x in y = minusx V točki O ima krivulja tangenti y = x in y = minusx ki se sekata
pravokotno V točki D je tangenta na krivuljo premica x = a Krivulja ima
na zanki dve glede na os x simetrično ležeči lokalno ekstremni točki v ka-
terih je tangenta vzporedna z osjo x To sta točki Mplusmn(2a3plusmn2aradic
39) De
Sluse jih je na svojevrsten način pravilno izračunal čeprav je bilo v nje-
govem času računanje z odvodi še v zametkih Da bi pravilnost ekstrem-
nih točk preverili brez odvoda uporabimo kvadrat ekstremne ordinate ki
je y2M = 4a227 in zapišimo izraz
ay2M minusx2(aminusx) = 4a327minusax2 +x3 = (xminus2a3)2(x+a3)
ki je za 0 lt x lt a nenegativen in enak 0 za x = 2a3 To pomeni da je
tedaj x2(a minus x) le 4a327 in največja ordinata na zanki krivulje je 2aradic
39
najmanjša pa minus2aradic
39 oboje pri x = 2a3 (slika 14)
Z uporabo odvoda gre vse veliko hitreje Ordinata y doseže ekstrem
takrat kot ay2 Zato je vseeno če poiščemo ekstrem enostavnejše funkcije
g(x) = x2(a minus x) = ax2 minus x3 Potreben pogoj za to je g prime(x) = 2ax minus 3x2 = 0
Dobimo stacionarni točki x1 = 0 in x2 = 2a3 Uporabimo še g primeprime(x) = 2aminus6x
Ker je g primeprime(x1) = 2a gt 0 in g primeprime(x2) = minus2a lt 0 ima funkcija g v točki x1 lokalni
minimum ki je enak 0 v točki x2 pa lokalni maksimum ki je enak 4a327
27
Slika 14 Lokalna ekstrema na de Slusovi perli K
Ekstremna točka na zanki kjer je tangenta vzporedna z osjo x je očitno
le v x2 kvadrat ekstremne ordinate je tedaj g(x2)a = 4a227 = 12a281
Ekstremni ordinati sta torej plusmn2aradic
39 pri abscisi 2a3
Abscise 2a3 ni težko geometrijsko konstruirati prav tako tudi ne or-
dinate 2aradic
39 ki je 29 razdalje ∣PminusP+∣ = aradic
3 kjer sta Pminus in P+ presečišči
krožnih lokov s središčema v točkahO inD in polmerom ∣OD ∣ To pomeni
da sta točki Pminus in P+ konstruktibilni
Če bi načrtali celotna krajša krožna loka med Pminus in P+ bi dobili med
njima lečast lik ki so mu nekoč rekli rdquovesica piscisrdquo kar dobesedno pomeni
rdquoribji mehurrdquo Lik je bil zelo znan v srednjeveški sakralni umetnosti
Čeprav v de Slusovem času še niso poznali odvoda funkcije v današn-
jem smislu so že vedeli zahvaljujoč Fermatu da ima funkcija v točki
lokalnega ekstrema vodoravno tangento
28
Spremljajoča parabola
Nastajanje krivulje K spremljajo še nekatere druge bolj ali manj znane
krivulje Najprej si oglejmo kaj dobimo če točko O pravokotno projici-
ramo na premice r in spreminjamo parameter t Dobljena projekcija naj
bo R (slika 15)
V prispevku se pogosto sklicujemo na povezavo med smernima koe-
ficientoma premice in pravokotnice nanjo Koeficienta sta si inverzna in
nasprotna Zato zlahka napišemo enačbo premice r in pravokotnice skozi
O nanjo
y = t(xminusaminusat2) y = minusxt
Njuno presečišče R ima koordinati
x(t) = at2 y(t) = minusat
Z izločitvijo parametra t dobimo y2 = ax kar pomeni da točke R pri spre-
minjanju točkeA po premici x = a opišejo parabolo rdquospremljajočo parabolordquo
ki ima gorišče v točki F(a40) in vodnico v z enačbo x = minusa4
Slika 15 De Slusova perla K in spremljajoča parabola
29
Ogrinjače
Ko drsi točka A po premici x = a premice s ogrinjajo neko krivuljo Ks
Premice s so v točki T krivulje K pravokotne na premice skozi O in T
Njeno enačbo dobimo po standardnem postopku Enačba premic s je
F(xyt) = y +xminusat
+at3 = 0
To je enoparametrična družina premic ki ogrinjajo krivuljo Ks imeno-
vano rdquoogrinjačardquo te družine (slika 16) V vsaki točki ogrinjače se jo dotika
ena premica v različnih točkah različne premice družine Enačbo njihove
ogrinjače v implicitni obliki dobimo tako da iz sistema enačb
Slika 16 De Slusova perla K in ogrinjače Ks Kq Kr
F(xyt) = 0partFpartt
(xyt) = 0
izločimo parameter t Iz enačbe
partFpartt
(xyt) = minus(xminusa)t2 +3at2 = 0
30
dobimo najprej xminusa = 3at4 kar vstavimo v prvo enačbo v sistemu in imamo
y = minus4at3 Dobili smo ogrinjačo v parametrični obliki
x(t) = a(1+3t4) y(t) = minus4at3
Izločimo t in enačba iskane ogrinjače Ks v implicitni obliki je pred nami
27y4 = 256a(xminusa)3
Ker je y dobljene krivulje sorazmeren s potenco (x minus a)34 lahko rečemo
da je ogrinjača premic s četrtkubična parabola
Podobno poiščemo ogrinjačo Kq premic q
F(xyt) = yt +xminusaminusat2 = 0partFpartt
(xyt) = y minus2at = 0
Ogrinjača v parametrični obliki je to pot
x(t) = a(1minus t2) y(t) = 2at
Z izločitvijo parametra t dobimo njeno enačbo v implicitni obliki
y2 = minus4a(xminusa)
Dobljena krivulja Kq je parabola z vodnico x = 2a in goriščem v točki O
(slika 16)
Nazadnje po enakem postopku kot doslej poiščemo še ogrinjačo Kr
premic r
F(xyt) = y minus tx+at +at3 = 0partFpartt
(xyt) = minusx+a+3at2 = 0
Ogrinjača v parametrični obliki je potem
x(t) = a(1+3t2) y(t) = 2at3
31
Z izločitvijo parametra t dobimo njeno enačbo še v implicitni obliki
27ay2 = 4(xminusa)3
Dobljena krivulja Kr je polkubična ali Neilova parabola z ostjo v točki
D(a0) kjer ima vodoravno tangento (slika 16) Krivuljo Ks smo up-
ravičeno imenovali četrtkubična parabola Slednja ima v točki D(a0)
navpično tangento
Edinole premice p od tistih ki sodelujejo v konstrukciji točk krivulje
K nimajo ogrinjače Vse premice p namreč potekajo skozi koordinatno
izhodišče O in očitno ne ogrinjajo nobene krivulje
Nožiščne krivulje
Novo krivuljoHprime dobimo če na tangente dane krivuljeH pravokotno pro-
jiciramo izbrano točko Φ Vse projekcije P nožišča točke Φ na tangentah
krivuljeH sestavljajo krivuljoHprime ki jo imenujemo rdquonožiščnardquo ali rdquopedalna
krivuljardquo krivulje H glede na točko Φ
Beseda rdquopedalenrdquo izhaja iz latinske rdquopedalisrdquo kar pomeni rdquonoženrdquo Os-
novna beseda je rdquopesrdquo v rodilniku ednine rdquopedisrdquo kar pomeni rdquonogardquo Od
tod izvirajo tudi besede rdquopedalordquo rdquopedalarrdquo in rdquopedalinrdquo
Poiščimo nekaj nožiščnih krivulj glede na koordinatno izhodišče O
Najprej za krivuljo K ki je poseben primer de Slusove perle Za odvod
v točki T isinK ki ustreza parametru t dobimo
dy
dx(x) =
y
x(t) =
3t2 minus12t
Enačbi tangente v T in pravokotnice skozi O nanjo pa se glasita
y minusat(1minus t2) =3t2 minus1
2t(xminusa(1minus t2)) y =
2t1minus3t2
x
32
Sekata se v točki P s koordinatama
x(t) =a(t2 minus1)2(1minus3t2)
9t4 minus2t2 +1 y(t) =
2at(t2 minus1)2
9t4 minus2t2 +1 (4)
S tem smo našli parametrični enačbi krivulje Kprime (slika 17) Do implicitne
enačbe je dolga pot prek rezultante dveh polinomov spremenljivke t od
katerih je prvi druge drugi pa pete stopnje Najprej opazimo da je v (4)
yx = 2t(1minus 3t2) kar lahko zapišemo kot p(t) = 3yt2 + 2xt minus y = 0 drugo
enačbo pa zapišemo v obliki q(t) = 2at5 minus 9yt4 minus 4at3 + 2yt2 + 2at minus y = 0
Zaradi enostavnosti smo pisali x in y brez argumenta t Da izločimo pa-
rameter t je treba zapisati rdquorezultantordquo R(p(t)q(t)) polinomov p(t) in
q(t) in jo izenačiti z 0 (glej [14])
R(p(t)q(t)) =
RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR
2a minus9y minus4a 2y 2a minusy 0
0 2a minus9y minus4a 2y 2a minusy
3y 2x minusy 0 0 0 0
0 3y 2x minusy 0 0 0
0 0 3y 2x minusy 0 0
0 0 0 3y 2x minusy 0
0 0 0 0 3y 2x minusy
RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR
= 0
Zadnji stolpec je deljiv z y Ker y = 0 ni del iskane nožiščne krivulje pre-
ostane ko izračunamo determinanto in jo okrajšamo z y in preuredimo
27y2(x2 +y2)2 +4ax(x2 minus9y2)(x2 +y2)minus4a2(x2 minusy2)2 = 0
Rezultat je torej algebrska krivulja šeste stopnje Krivulja je simetrična
glede na abscisno os točka O pa je njena posebna točka Za zelo majhne
x in y prevlada zadnji člen kar pomeni da sta premici y = x in y = minusx v O
tangenti na krivuljo
33
Slika 17 Nožiščna krivulja Kprime krivulje K glede na koordinatno izhodišče
Zanka krivulje Kprime nekoliko spominja na srčnico ali kardioido ki jo
opisujejo točke krožnice ki se brez drsenja kotali po enako veliki krožnici
Krivulja Kprime ima še neomejeni del ki se razteza po drugem in tretjem kvad-
rantu Poglejmo kako potuje točka po krivulji v parametrizaciji (4) ko
parameter t teče po številski premici Za t lt minus1 poteka krivulja po tretjem
kvadrantu pri čemer x(t)rarr minusinfin in y(t)rarr minusinfin ko t rarr minusinfin Pri t = minus1 točka
doseže O v obliki osti ki ima za tangento premico y = x Za minus1 lt t lt 0
potuje točka po četrtem kvadrantu doseže točko D pri t = 0 za 0 lt t lt 1
potuje naprej po prvem kvadrantu in pri t = 1 spet doseže O kjer ima
ost s tangento y = minusx nato nadaljuje pot po drugem kvadrantu pri čemer
x(t)rarr minusinfin in y(t)rarrinfin ko trarrinfin
Nožiščna krivulja malo prej obravnavane krivulje Ks glede na točko O
ni nič drugega kot krivulja K Premice s so namreč tangente na Ks nožišča
točke O na njej pa so točke krivulje K Lahko pa to preverimo z računom
34
tako kot smo poiskali nožiščno krivuljo Kprime za K glede na točko O
Za odvod v poljubni točki na Ks ki ustreza parametru t dobimo
dy
dx(x) =
y
x(t) = minus
1t
Enačbi tangente v tej točki in pravokotnice skozi O nanjo pa se glasita
y +4at3 = minus1t(xminusa(1+3t4)) y = tx
Sekata se v točki s koordinatama
x(t) = a(1minus t2) y(t) = at(1minus t2)
To sta ravno parametrični enačbi krivulje K tako da velja Kprimes =K
Podobno ugotovimo tudi da je premica x = a nožiščna krivulja za para-
bolo Kq Premica x = a je tangenta te parabole v temenu V splošnem je
temenska tangenta parabole kar njena nožiščna krivulja glede na gorišče
Ugotovili smo torej da je nožiščna krivulja krivulje Kr spremljajoča para-
bola krivulje K
Ekstremne točke nožiščne krivulje Kprime
Ekstremne točke na zanki krivulje Kprime dobimo iz odvodov
x(t) =2at(1minus t2)(3t2 +1)(9t4 +2t2 minus3)
(9t4 minus2t2 +1)2
y(t) =2a(t2 minus1)(3t2 +1)(3t4 +6t2 minus1)
(9t4 minus2t2 +1)2
Za t = 0 doseže v točki D(a0) abscisa svojo največjo vrednost Za t = plusmn1
poteka krivulja skozi točko O kjer sama sebe preseka pod pravim kotom
ker je yprime(0) = (yx)(plusmn1) = ∓1
35
Najmanjšo absciso na zanki ima krivulja Kprime v točki ki jo določa para-
meter t za katerega velja pogoj 9t4 +2t2 minus3 = 0 To je bikvadratna enačba
katere realni rešitvi sta tplusmn = plusmnradic
2radic
7minus13 ustrezni točki na krivulji pa
izračunamo z enačbama (4) in dobimo
Xplusmn(a(17minus7radic
7)27plusmnaradic
74radic
7minus17227)
Ekstremni ordinati na zanki ima krivulja takrat za tisto vrednost para-
metra t za katerega velja pogoj 3t4 + 6t2 minus 1 = 0 Realni rešitvi te bi-
kvadratne enačbe sta tplusmn = plusmn(3radic
2minusradic
6) 4radic
36 ustrezni točki na krivulji pa
Yplusmn(a(3minusradic
3)3plusmna 4radic123)
Ker v koordinatah ekstremnih točk nastopajo poleg osnovnih aritmetičnih
operacij le kvadratni in bikvadratni (četrti) koreni so te točke konstruk-
tibilne
Cisoida
Spoznali smo enega od načinov pridobivanja novih ravninskih krivulj iz
danih to je z nožišči izbrane točke na tangentah dane krivulje Krivulji
s tem priredimo nožiščno krivuljo glede na izbrano točko Drug tak pre-
prost način kako iz znanih krivulj dobimo nove je cisoidni način Kako
pa ta poteka
Denimo da sta znani krivulji K1 in K2 ter točka O ki ležijo v isti
ravnini Pri tem sta K1 in K2 taki krivulji da vsaka premica p skozi O
ki seka K1 v neki točki T1 seka tudi K2 recimo v točki T2 (slika 18) Za
vsak T1 označimo na p točko T tako da veljaETHOT =
ETHETHT1T2 Ko T1 potuje po
K1 T opiše krivuljo C ki jo imenujemo cisoida krivulj K1 in K2 glede na
točko O Definicije take cisoide se nekoliko razlikujejo od vira do vira
36
Slika 18 Krivulja C je cisoida krivulj K1 in K2 glede na točko O
Dioklova cisoida s katero rešimo problem podvojitve kocke je cisoida
krožnice x2 + y2 = ax in premice x = a glede na koordinatno izhodišče O
Več o cisoidah in njihovi uporabi je napisanega na primer v [8]
Krivulja K je povezana tudi s polkubično ali semikubno ali Neilovo
parabolo poimenovano po Williamu Neilu (1637ndash1680) Parametrični
enačbi (3) lahko zapišemo v vektorski obliki v standardni bazi kot razliko
kolinearnih vektorjev
r(t) = (x(t)y(t)) =ETHOT = (a(1minus t2)at(1minus t2)) = (aat)minus (at2at3)
Vektor r1(t) = (aat) = (a0)+at(01) je enačba premice x = a v parametrični
obliki vektor r2(t) = (at2at3) pa polkubične parabole ki ima enačbo ay2 =
x3 in ost v točkiO Parameter t geometrijsko pomeni tangens naklonskega
kota premice OA (slika 13)
Premica y = tx poteka skozi koordinatno izhodišče O in seka premico
x = a v točkiA(aat) zato jeETHOA = r1 Ista premica seka polkubično parabolo
P ki ima enačbo ay2 = x3 v točki P (at2at3) tako da jeETHOP = r2 S tem je
ETHPA =
ETHOAminus
ETHOP = r1minus r2 = r To pomeni da je r =
ETHOT =
ETHOAminus
ETHOP Potemtakem
je krivulja K cisoida polkubične parabole P z enačbo ay2 = x3 in premice
37
Slika 19 De Slusova perla K kot cisoidna krivulja
x = a glede na točko O (slika 19)
Neilova parabola in ločna dolžina
Neilova ali polkubična parabola ay2 = x3 je bila v zgodovini matematike
pomembna kot ena prvih krivulj za katero so znali izračunati ločno dolžino
Prav prvi je to znal John Wallis (1616ndash1703) leta 1657
Denimo da nas zanima ločna dolžina `(b) te krivulje nad intervalom
[0b] (slika 20) Znano je da lahko uporabimo formulo za ločno dolžino
krivulje ki je dana v eksplicitni obliki
`(b) = intb
0
radic
1+yprime2dx
Pri tem je y = f (x) enačba krivulje in yprime = f prime(x) V našem primeru je y =
38
Slika 20 Neilova ali polkubična parabola
f (x) = plusmnradicx3a Kratek račun nam da yprime2 = 9x(4a) in
`(b) = intb
0
radic
1+9x4adx
Z uvedbo nove integracijske spremenljivke u z relacijo u2 = 1 + 9x(4a)
dobimo
`(b) =8a9 int
c
1u2du =
8a27
(c3 minus1)
pri čemer je c =radic
1+9b(4a)
Leibnizeva izohrona je krivulja po kateri se je leta 1687 vprašal G W
Leibniz Poiskati je treba v navpični ravnini krivuljo po kateri se brez
trenja giblje točkasta masa ki je podvržena konstantnemu težnostnemu
polju tako da je navpična komponenta njene hitrosti ves čas konstantna
Nalogo je prvi rešil C Huygens nizozemski astronom fizik in matema-
tik znan tudi po odkritju Saturnovega satelita Titana in znamenitih Sat-
urnovih obročev ter po izdelavi prve ure na nihalo kar je bilo za tiste čase
velik napredek v merjenju točnega časa
39
Slika 21 Leibnizeva izohrona
Izhodišče O postavimo v najvišjo točko krivulje (slika 21) V tej točki
je horizontalna hitrost premikajoče se mase m enaka 0 Naj bo v0 njegova
navpična hitrost navzdol Os y je vodoravna os x pa usmerjena navz-
dol Potencialno energijo mase računamo nad izbranim nivojem spodaj V
skladu z načelom ohranitve mehanske energije v času t in času 0 potem
velja12mv2(t)+mg(hminusx(t)) =
12mv2
0 +mgh
Pri tem je g težni pospešek Po poenostavitvi dobimo v2(t) = 2gx(t)+ v20
Vektor hitrosti ima v vsakem trenutku med seboj pravokotni komponenti
v(t) = (x(t) y(t)) za t = 0 pa v(0) = (v00) Upoštevamo da je ∣v(t)∣2 =
v2(t) = x2(t) + y2(t) in da je x(t) = v0 pa imamo sistem diferencialnih
enačb
x(t) = v0 y(t) =radic
2gx(t)
ki ga rešimo pri začetnih pogojih x(0) = y(0) = 0 in dobimo
x(t) = v0t y(t) =23
radic2gv0t3
40
Koordinati točk na dobljeni krivulji zadoščajo enačbi
ay2 = x3 a =9v2
0
8g
Pri dani konstanti a je v0 = (23)radic
2ag Iskana krivulja je torej Neilova
parabola Ime izohrona je dobila zato ker točkasta masa po vertikali
v enakih časih prepotuje enake razdalje V grščini beseda ἴσος pomeni
rdquoenakrdquo χρόνος pa rdquočasrdquo
Dolžina ` zanke krivulje K nas pripelje do zapletenega eliptičnega in-
tegrala za katerega zapišimo približno vrednost
` = 2aint1
0
radic9t4 minus2t2 +1dt ≐ 271559186a
Pač pa je dolžina loka ` četrtkubične parabole Ks ogrinjače premic s bolj
prijazna Za dolžino loka od točke D ki ustreza parametru t = 0 do točke
ki ustreza parametru t = α dobimo
` = 12aintα
0t2
radic1+ t2dt =
3a2
(α(1+2α2)radic
1+α2 minus ln(α +radic
1+α2))
Prav tako dolžina loka ` navadne parabole Kq ogrinjače premic q ne
dela težav Za dolžino loka od točke D ki ustreza parametru t = 0 do
točke ki ustreza parametru t = α dobimo
` = 2aintα
0
radic1+ t2dt = a(α
radic1+α2 + ln(α +
radic1+α2))
Za spremljajočo parabolo dobimo prav tako enostaven rezultat za ločno
dolžino od točke O do točke ki ustreza parametru t = α
` = intα
0
radic1+4t2dt =
a4(2α
radic1+4α2 + ln(2α +
radic1+4α2))
Nazadnje zapišimo še ločno dolžino polkubične parabole Kr
` = 6aintα
0tradic
1+ t2dt = 2a((1+α2)radic
1+α2 minus1)
41
Pri vseh zgornjih primerih je parameter t strmina premice p v prvotni
konstrukciji krivulje K
Ploščine in prostornine
Ploščina S lika ki ga omejuje zanka krivulje K je
S =2radica int
a
0xradicaminusxdx
Z uvedbo nove integracijske spremenljivke t z relacijo aminusx = t2 je
S =4radica int
radica
0t2(aminus t2)dt =
4radica int
radica
0(at2 minus t4)dt =
8a2
15
Lahko pa jo izrazimo tudi s splošno formulo ki smo jo izpeljali na začetku
razdelka S to formulo lahko izrazimo še prostornino V telesa ki ga pri
rotaciji okoli osi x opiše lik
V =πa int
a
0x2(aminusx)dx =
πa3
12
To je ravno polovica prostornine krogle s premerom a
Pač pa je izraz za ploščino S prime lika ki ga omejuje zanka krivulje Kprime bolj
zapleten izraz Uporabimo parametrični enačbi (4) in dobimo
S prime = int1
0(x(t)y(t)minus x(t)y(t))dt = 2a2
int
1
0
(1minus t2)3(1+2t2 minus3t4)(9t4 minus2t2 +1)2 dt
Če se zanesemo na računalniško računanje določenih integralov potem je
S prime =2a2
729(3(43πminus28)+52
radic2ln(1+
radic2))
kar je približno S prime ≐ 1059206796a2 Do enakega rezultata pridemo z
navidez enostavnejšo formulo
S prime = 2inta
0y(x)dx
42
toda drugim težjim integralom
S prime = 2int0
1y(t)x(t)dt = minus8a2
int
1
0
t2(1minus t2)3(3t2 +1)(9t4 +2t2 minus3)(9t4 minus2t2 +1)3 dt
Zakaj smo integrirali po parametru t od 1 do 0 Zato ker abscisa x narašča
od 0 do a ko t pada od 1 do 0 Ordinata y pa je pri tem nenegativna (glej
izraza (4))
Tudi izraz za prostornino V prime telesa ki ga pri rotaciji okoli osi x opiše
lik omejen s Kprime je navidez enostaven
V prime =πinta
0y2(x)dx
toda s parametrom t je zapleten a eksaktno izračunljiv
V prime =πint0
1y2(t)x(t)dt = 8πint
1
0
t3(t2 minus1)5(3t2 +1))(9t4 +2t2 minus3)(9t4 minus2t2 +1)4 dt
Za rezultat dobimo
V prime =2πa3
19683(431π
radic2+369+744ln2)
kar je približno V prime ≐ 08936800975a3
Naj bo s tem računanja integralov dovolj V nadaljevanju se bomo
posvetili nekaterim lažjim problemom
Tangenta
Pri krivuljah v koordinatnem sistemu Oxy so pomembni štirje dotikalni
elementi za posamezne točke T odsek na tangenti ∣TA∣ odsek na normali
∣T B∣ subtangenta ∣AT prime∣ in subnormala ∣BT prime∣ (slika 23) Izražajo se takole
∣TA∣ = ∣y
yprime
radic
1+yprime2∣ ∣T B∣ = ∣yradic
1+yprime2∣ ∣T primeA∣ = ∣y
yprime∣ ∣T primeB∣ = ∣yyprime∣
43
Slika 22 Ploščini likov omejenih z zankama krivulj K in Kprime
Pri tem pomeni yprime = f prime(x) če je enačba krivulje y = f (x) Točka T prime je pra-
vokotna projekcija točke T na abscisno os A je presečišče tangente na
krivuljo v točki T z osjo x B pa presečišče normale z osjo x Dotikalni
elementi so posebej definirani tudi za krivulje v polarnih koordinatah
Slika 23 Dotikalni elementi krivulje
De Sluse je za algebrsko krivuljo f (xy) = 0 po svoje našel izraz za sub-
tangento ts to je pravokotno projekcijo odseka na tangenti
44
na os x V današnji pisavi se subtangenta izraža v obliki
ts = minusy
partfparty (xy)
partfpartx (xy)
Za krivuljo K je f (xy) = ay2 minusx2(aminusx) = 0 in
ts =2x(xminusa)3xminus2a
Lotimo se še konstrukcije tangente t in normale n naK v točki T0(x0y0) ne
O ki enolično določa točko A(aay0x0) kot presečišče premice p skozi O
in T0 s premico x = a Skozi A povlecimo vzporednico nprime z normalo n na K
v točki T0 Normala ima smerni koeficient kn = tsy0 oziroma
kn =
partfparty (x0y0)
partfpartx (x0y0)
=2ay0
x0(3x0 minus2a)
Premica nprime ima enačbo
y minusay0
x0=
2ay0
x0(3x0 minus2a)(xminusx0)
in preseka abscisno os v točki T1(x10) za katero po krajšem računu do-
bimo x1 = 2a minus 3x02 Točko T1 in premico nprime zlahka geometrijsko kon-
struiramo Iskana tangenta t v točki T0 je pravokotna na nprime normala n pa
vzporedna z nprime (slika 24)
Inverzija krivulje K na krožnici
Po navadi za ravninske krivulje pogledamo še njihove inverzne slike na
krožnici Inverzija ali zrcaljenje na krožnici x2 + y2 = r2 je ravninska pres-
likava ι definirana s predpisom
ι ∶ (xy)↦ (r2x
x2 +y2 r2y
x2 +y2)
45
Slika 24 Tangenta in normala na krivuljo K
S spreminjanjem polmera r krožnice dobimo med seboj podobne krivulje
Če zrcalimo na krožnici x2 + y2 = a2 krivuljo K ki ima implicitno enačbo
(2) dobimo krivuljo Klowast ki ima enačbo
y4 = minusx3(aminusx)
ki je formalno oblike (2) zam = 4n = 3p = 1 in k = minus1 Dobljena krivuljaKlowast
je simetrična glede na os x ima dve veji abscisa na njej doseže ekstremni
vrednosti v točkah O(00) in D(a0) Ima pa kot bomo videli tudi dve
asimptoti y = xminusa4 in y = minusx+a4 (slika 25)
Krivuljo Klowast se da lepo parametrizirati s parametrom τ če v njeno
enačbo y4 = minusx3(aminusx) vstavimo y = τx Dobimo
x(τ) =a
1minusτ4 y(τ) =aτ
1minusτ4
To sta parametrični enačbi krivulje Klowast
Ko τ uarr minus1 x(τ)rarr minusinfin in y(τ)rarr +infin ko τ darr minus1 x(τ)rarr +infin in y(τ)rarr minusinfin
ko τ uarr +1 x(τ)rarr +infin in y(τ)rarr +infin ko τ darr +1 x(τ)rarr minusinfin in y(τ)rarr minusinfin
46
Slika 25 Inverzna slika Klowast krivulje K
Konstanti k in n poševne asimptote y = kx + n krivulje Klowast dobimo s
formulama
k = limxrarrplusmninfin
y
x n = lim
xrarrplusmninfin(y minus kx)
V našem primeru je
k = limxrarrplusmninfin
y
x= limτrarrplusmn1
τ = plusmn1 n = a limτrarrplusmn1
τ ∓11minusτ4 = ∓
a4
Poševni asimptoti sta torej premici y = plusmn(xminusa4)
Obnašanje krivulje v okolici točke D utemeljimo če zapišemo impli-
citno obliko krivulje nekoliko drugače
y4 = (xminusa)x3 = (xminusa)(a+(xminusa))3 = a3(xminusa)+3a2(xminusa)2+3a(xminusa)3+(xminusa)4
47
Slika 26 Krivulja Klowast in približka v okolici točk O in D
Za x ki je zelo blizu a prevlada na desni prvi člen tako da je y4 asymp a3(xminusa)
Razlika xminusa se torej obnaša približno tako kot bikvadrat ordinate y
V okolici točke O kjer so abscise negativne iz istega razloga velja y4 asymp
minusax3 zato se tam krivulja obnaša približno tako kot četrtkubična parabola
(slika 26)
Inverzija krivulje Kprime na krožnici
Na krožnici x2 + y2 = a2 zrcalimo še krivuljo Kprime nožiščno krivuljo krivulje
K glede na točko O Dobimo dvodelno krivuljo Kprimelowast kakršno vidimo na
sliki 27
Enačba nove krivulje v implicitni obliki je
4(x2 minusy2)2 minus4ax(x2 minus9y2)minus27a2y2 = 0
48
Slika 27 Inverzna slika Kprimelowast krivulje Kprime
Krivulja je algebrska četrte stopnje je simetrična glede na os x ima ost
z vodoravno tangento v točki O skozi točko D pa poteka v blagem loku
Natančneje ugotovimo približni potek krivulje v okolici teh dveh točk če
v zgornji enačbi obdržimo prevladujoče člene V okolici točke O kjer so
abscise negativne je ay2 asymp minus4x327 torej približno tako kot polkubična
parabola V okolici točke D(a0) je y2 asymp minus4a(x minus a) kar pomeni da se
krivulja obnaša približno tako kot parabola
Pritisnjeni krožnici na K
Pritisnjeni krožnici v točki O na krivuljo K sta inverzni sliki asimptot
krivulje Klowast na krožnici x2 + y2 = a2 Preprost račun pokaže da se asimp-
toti krivulje Klowast z inverzijo ι preslikata v krožnici x2 + y2 plusmn4ay minus4ax = 0 ki
imata središči v točkah Splusmn(2aplusmn2a) in polmer 2aradic
2 Sekata se pavokotno
v točkah O in M(4a0) Inverzija ι namreč ohranja kote (slika 28)
49
Slika 28 Pritisnjeni krožnici na krivuljo K v točki O
Ukrivljenost κ(t) krivulje K v točki ki ustreza parametru t brez težav
izračunamo iz njenih parametričnih enačb (3)
κ(t) =2(3t2 +1)
a(1minus2t2 +9t4)32
V posebnem primeru je v točki O to se pravi za t = plusmn1 ukrivljenost enaka
κ(plusmn1) = 1(2aradic
2) zato sta v O polmera pritisnjenih krožnic 1κ(plusmn1) =
2aradic
2 kar se seveda ujema z rezultatom dobljenim z inverzijo na krožnici
Toksoida
Videli smo da je inverzna slika krivulje K krivulja Klowast ki ima enačbo y4 =
minusx3(aminusx) ki je formalno oblike (2) zam = 4n = 3p = 1 in k = minus1 Prav tako
je krivulja ay2 = minusx2(aminus x) ki jo dobimo iz enačbe ay2 = x2(aminus x) krivulje
K če zamenjamo aminus x z x minus a formalno oblike (2) za m = 2n = 2p = 1 in
50
k = minus1a Krivuljo označimo jo s T ki ima enačbo
ay2 = x2(xminusa)
je nemški amaterski matematik samouk in izumitelj Diedrich (tudi Diede-
rich) Uhlhorn (1764ndash1837) imenoval rdquotoksoidardquo V svojem delu [13] obrav-
nava več krivulj in za nekatere tudi opiše mehanske naprave s katerimi
se jih da risati pa tudi njihovo uporabo pri reševanje enačb Beseda rdquotok-
soidardquo izvira iz dveh grških τόξον kar pomeni rdquolokrdquo (kot orožje) pa tudi
rdquopuščicardquo in εἶδος kar med drugim pomeni rdquooblika podobardquo D Uhlhorn
je imenoval krivuljo v nemščini rdquoBogenlinierdquo ker nemški samostalnik rdquoBo-
genrdquo pomeni prav tako rdquolokrdquo Iz besede τόξον smo dobili tudi besede ki
so povezane s strupi kajti bojne puščice so bile često zastrupljene
Slika 29 Toksoida
Toksoida ima tudi izolirano točkoO(00) saj njeni koordinati zadoščata
implicitni enačbi
Iz implicitne enačbe toksoide dobimo z zamenjavo y = tx njeni parametri-
čni enačbi
x(t) = a(1+ t2) y(t) = at(1+ t2) (5)
ki pa ne vključujeta izolirane točke O
51
Toksoida je algebrska krivulja tretje stopnje simetrična glede na os x
ki jo preseka za t = 0 v točki D(a0) kjer ima navpično tangento Krivulja
na prvi pogled ni nič posebnega a že D Uhlhorn je pokazal kako se kon-
struira njene posamezne točke in kako se z njo podvoji kocko
Slika 30 Konstrukcija točk toksoide
Do točke T na toksoidi pridemo takole V koordinatnem sistemu Oxy
za pozitiven a določimo točko D(a0) in skoznjo konstruiramo pravokot-
nico na os x torej premico x = a (slika 30) Na tej premici izberemo točko
A ki jo bomo spreminjali da bomo dobili krivuljo Skozi O in A nato
načrtamo premico p v A pa nanjo pravokotnico q ki seka abscisno os v
točki B V B postavimo na abscisno os pravokotnico r ki preseka premico
p v točki T Ko A potuje po premici x = a točka T opiše toksoido T brez
izolirane točke O
Da res dobimo toksoido T je treba samo zapisati enačbi y = tx premice
p in y = minus(x minus a)t + at premice q ter točki A(aat) in B(a(1 + t2)0) ter
T (a(1+t2)at(1+t2)) Koordinati točke T pa res dasta paramatrični enačbi
52
toksoide
Slika 31 Konstrukcija srednjih geometrijskih sorazmernic s toksoido
Iz podobnih trikotnikov ODA OAB in OBT na sliki 30 sledi relacija
∣OD ∣
∣OA∣=∣OA∣
∣OB∣=
∣OB∣∣OT ∣
kar pomeni da sta ∣OA∣ in ∣OB∣ srednji geometrijski sorazmernici daljic
∣OD ∣ = a in ∣OT ∣ = b Zato lahko izrazimo ∣OA∣ =3radica2b in ∣OB∣ =
3radicab2 na isti
način kot pri (3)
Če imamo že načrtano toksoido T potem srednji geometrijski sorazmer-
nici za a in b gt a dobimo tako da poiščemo presečišče T krožnice s sredi-
ščem v O skozi točko C(b0) in na zgoraj opisan način poiščemo premice
pq in r ter točki A in B (slika 31) Za b = 2a na ta način rešimo problem
podvojitve kocke ∣OA∣ = a 3radic
2
Ukrivljenost κ(t) toksoide T v točki ki ustreza parametru t brez težav
53
izračunamo iz njenih parametričnih enačb (5)
κ(t) =2(3t2 minus1)
a(1+10t2 +9t4)32
Opazimo da ukrivljenost menja predznak pri t = plusmn1radic
3 kar nam da točki
Pplusmn(4a3plusmn4aradic
39) v katerih ima T prevoja s tangentama s smernima koe-
ficientoma plusmnradic
3 Tangenti oklepata z osjo x kota plusmnπ3 Pritisnjena krožnica
v točki D ki ustreza t = 0 ima za polmer 1∣κ(0)∣ = a2 in središče v točki
S(3a20) (slika 32)
Slika 32 Prevoja toksoide T in pritisnjena krožnica v točki D
Prevoja sta konstruktibilna pri čemer si lahko pomagamo z vesico pis-
cis nad daljico OD Njeni točki Vplusmn sta narazen za aradic
3 premici skozi O
in Vplusmn pa določata smeri tangent v prevojih Prav tako je konstruktibilna
točka S V okolici točk D in Pplusmn je ujemanje toksoide s pritisnjeno krožnico
v D in tangentama v prevojih Pplusmn zelo dobro
54
Enačba toksoide T v polarnih koordinatah in ϕ je
(ϕ) =a
cos3ϕ
kar sledi iz njene implicitne oblike
a(x2 +y2) = x3
Pri tem je treba le upoštevati zvezi x2 +y2 = 2 in x = cosϕ
Polarna oblika je zelo primerna za študij inverzije na krožnici s središčem
v točki O in polmerom R Če je namreč lowast polarni polmer invertirane
krivulje mora veljati relacija
(ϕ)lowast(ϕ) =R2
Če izberemo R = a dobimo za inverzno sliko toksoide T krivuljo (slika 33)
T lowast ki ima nasledno enačbo v polarnih koordinatah
lowast(ϕ) = acos3ϕ
Slika 33 Inverzna slika T lowast toksoide T
55
Iz polarne oblike krivulje T lowast hitro izpeljemo še njeno implicitno enačbo
(x2 +y2)2 = ax3
Torej je T lowast algebrska krivulja četrte stopnje
Ploščino S lika ki ga ograjuje krivulja T lowast izračunamo po znani for-
muli
S = 2 sdot12 int
π2
0lowast2(ϕ)dϕ = a2
int
π2
0cos6ϕdϕ = a2 sdot
56
sdotπ2=
5πa2
32
Krivulja T lowast je simetrična glede na os x v točkah O in D ima navpični
tangenti največji odklon od osi x pa doseže v točkah Yplusmn(9a16plusmn3aradic
316)
kjer ima vodoravni tangenti in sicer pri polarnih kotih plusmnπ6
De Slusove pomnoževalke hiperkock
Podvojitev kocke je kot vemo klasični grški geometrijski problem ki se ga
ne da rešiti evklidsko to je samo z neoznačenim ravnilom in šestilom kar
so dokazali šele v 19 stoletju Problem zahteva določiti rob kocke ki ima
prostornino enako dvakratniku prostornine dane kocke To pomeni da
je treba za dano daljico a konstruirati tako daljico b za katero je b = a 3radic
2
Problem podvojitve kocke so Grki znali rešiti na več načinov Eden od njih
je možen s posebno ravninsko krivuljo z Dioklovo cisoido (več na primer
v [7])
Povsem smiselno se je vprašati kako bi pomnožili s faktorjem s gt 0
poljubno r-razsežno hiperkocko z robom a Njena prostornina je ar zato
je b = a rradics rob hiperkocke katere prostornina je s-kratnik prostornine
hiperkocke z robom a Dva primera sta trivialna Za r = 1 imamo daljico
56
njena rdquoprostorninardquo je kar njena dolžina a za r = 2 pa kvadrat čigar rdquopros-
torninardquo je kar njegova ploščina a2 Za r = 3 imamo opraviti z običajno
kocko z običajno prostornino a3 V prvih dveh primerih množenje s fak-
torjem s ni problematično saj s problemom lahko geometrijsko rešimo s
podobnimi trikotniki in z višinskim izrekom v pravokotnem trikotniku
Za r ge 4 si r-razsežno hiperkocko teže predstavljamo ker je ne moremo
realizirati z običajno geometrijo To pa ni ovira pri pomnožitvi take hiper-
kocke s številom s ker moramo znati samo njen rob a geometrijsko pom-
nožiti s številom rradics kar pa lahko naredimo v običajni ravnini V mate-
matični analizi je r-razsežna hiperkocka z robom a na primer kar r-kratni
kartezični produkt intervala [minusa2a2] s samim seboj to je množica
[minusa2a2]r = (x1x2 xr) isinRr ∶ ∣x1∣ le a2 ∣x2∣ le a2 ∣xr ∣ le a2
Oglejmo si de Slusove perle (2) z eksponenti mn =mminus 1 in p = 1 fak-
torjem k = 1 ter a gt 0 pri čemer je m sodo število to se pravi krivulje z
implicitno enačbo
ym = xmminus1(aminusx) (6)
oziroma xm + ym = axmminus1 Pri danem m označimo ustrezno krivuljo s Hm
Med njimi je tudi stara znanka x2 + y2 = ax krožnica s polmerom a2
in središčem v točki S(a20) Skupne vsem krivuljam so točke O(00)
Cplusmn(a2plusmna2) D(a0) ter navpični tangenti v O in D Krivulje Hm so za-
ključene in simetrične glede na os x in se dajo lepo parametrizirati z y = tx
Za vsako dobimo parametrično enačbo
x(t) =a
1+ tm y(t) =
at1+ tm
(7)
Najbolj se taka krivulja oddalji od abscisne osi za t = 1 mradicmminus1 v točkah
Yplusmn(a(mminus1)mplusmnam mradic
(mminus1)mminus1) Za t = 0 dobimo točko D za ∣t∣rarrinfin pa
57
se krivulja bliža točki O Slika 34 kaže nekaj primerov
Slika 34 Nekaj krivulj Hm
Naj bo s poljubno pozitivno število in A(0as) točka na osi y Premica
skozi A in D preseka krivuljo Hm v točkah D(a0) in B(x0y0) za katero
potrebujemo samo razmerje y0x0 Na sliki 35 je izbran eksponent m = 4
Premica skozi A in D ima enačbo xa+sya = 1 iz katere izrazimo aminusx = sy
in vstavimo v enačbo (6) Dobimo ym = ysxmminus1 Ker iščemo točko B s
pozitivno ordinato lahko z y krajšamo in dobimo y0x0 =mminus1radics
Premica skozi O in B ima enačbo y = y0xx0 in preseka premico x = a
v točki C(aay0x0) oziroma C(aa mminus1radics) Zato je ∣DC∣ = ∣OD ∣ mminus1
radics) V
primeru m = 4 in s = 2 je ∣DC∣ = ∣OD ∣3radic
2) kar pomeni da se nam je pos-
rečilo podvojiti trirazsežno kocko Za s = 3 kocko potrojimo za s = 4
početverimo itd Še več zam = 6 in s = 2 podvojimo 5-razsežno hiperkocko
58
za s = 3 jo potrojimo za s = 4 početverimo itd
Slika 35 Krivulja H4 in pomnožitev roba trirazsežne kocke
Lihih m nam ni treba posebej obravnavati ker krivulje Hm ne bi bile
prave de Slusove perle Poleg tega bi tedaj bil mminus 1 sodo število denimo
m minus 1 = 2αq z naravnim α in lihim q Korenjenje se potem da izvesti z
α-kratnim kvadratnim korenjenjem in enim q-tim korenjenjem s krivuljo
Hq+1 kakor smo zgoraj opisali
Drug način za pomnožitev hiperkock poteka s cisoidami Cm krivuljHm
in premice x = a Pri parametru t premica y = tx preseka premico x = a
v točki C(aat) točka B pa ima tedaj koordinati dani z parametričnima
enačbama (7) S koordinatami točk B in C imamo takoj
ETHBC = (aminus
a1+ tm
at minusat
1+ tm) = (
atm
1+ tmatm+1
1+ tm)
59
Slika 36 Nekaj krivulj Cm
Da bo točka T na cisoidi Cm mora veljati zvezaETHOT =
ETHBC Potemtakem ima
Cm parametrični enačbi
x(t) =atm
1+ tm y(t) =
atm+1
1+ tm (8)
Ker je t = yx dobimo še implicitno enačbo krivulje Cm
xm+1 = ym(aminusx) (9)
oziroma x(xm+ym) = aym Krivulje so za sodem definirane nad intervalom
60
[0a) so simetrične glede na os x imajo za asimptoto premico x = a in
potekajo skozi koordinatno izhodišče O in točki Cplusmn(a2plusmna2) Asimptoti
se krivulja bliža ko ∣t∣ rarr infin V točki O pri t = 0 imajo ost z vodoravno
tangento Za m = 2 dobimo staro znanko Dioklovo cisoido
Slika 37 Krivulja C4 in pomnožitev roba 5-razsežne hiperkocke
Izberimo sedaj na ordinatni osi točko A(0as) pri čemer je s pozi-
tivno število in vzemimo premico skozi točki A in D (slika 37) Ta ima
enačbo xa + y(as) = 1 iz katere izrazimo a minus x = ys Premica preseka
cisoido Cm v točki M(x0y0) s pozitivno ordinato Iz enačb premice skozi
A in D in (9) dobimo y0x0 = m+1radics Premica skozi točki O in M ima
enačbo y = y0xx0 in preseka premico x = a v točki E(aa m+1radics) Torej velja
61
zveza ∣DE∣ = ∣OD ∣ m+1radics kar pomeni da smo našli rob (m + 1)-razsežne
hiperkocke ki ima za prostornino s-kratnik prostornine dane (m + 1)-
razsežne hiperkocke
Naj bo Sm ploščina lika ki ga omejuje krivulja Hm in Qm ploščina
neomejenega lika ki ga omejuje krivulja Cm z asimptoto Ni ju težko
izraziti
Pm =a2(mminus1)πm2 sin π
m Qm =
a2(m+1)πm2 sin π
m
Nadalje naj bo Vm prostornina telesa ki nastane z rotacijo krivulje Hm
okoli osi x Wm pa prostornina neomejenega telesa ki nastane z rotacijo
krivulje Cm okoli osi x Prav tako ju ni težko izraziti
Vm =2a3(mminus1)(mminus2)π2
3m3 sin 2πm
Wm =2a3(m+1)(m+2)π2
3m3 sin 2πm
Ploščine in prostornine so poleg drugega zanimale že matematike v
17 stoletju zlasti C Huygensa Izračunajmo prostornino telesa Um ki
nastane z rotacijo lika med cisoido in njeno asimptoto okoli te asimptote
(slika 38) Uporabili bomo sodobne zapise in Eulerjevi funkciji B in Γ ki
ju C Huygens še ni mogel poznati Presek nastalega telesa na višini y je
krog s polmerom aminusx in ploščino π(aminusx)2 Upoštevamo še simetrijo lika
glede na os x uporabimo parametrično obliko (8) in nastavimo integral
Um = 2πintinfin
0(aminusx(t))2y(t)dt = 2πa3
int
infin
0
tm(tm +m+1)(1+ tm)4 dt
ki ga lahko izrazimo v obliki
Um = 2πa3(I2 + (mminus1)I3 minusmI4)
pri čemer je
Ik = intinfin
0
dt
(1+ tm)k
62
ki ima za m ge 2 in k ge 1 končno vrednost S substitucijo u = 1(1 + tm)
dobimo
Ik =1m int
1
0ukminus1minus1m(1minusu)1mminus1du =
1m
B(kminus1m1m) =Γ(k minus1m)Γ(1m)
mΓ(k)
Na koncu je rezultat zelo preprost
Um =2π2a3(m2 minus1)
3m3 sin πm
Prve tri prostornine so
U2 =π2a3
4 U4 =
5radic
2π2a3
32 U6 =
35π2a3
162
Slika 38 Telo nastalo z zasukom lika med krivuljo C2 in njeno asimptoto
okoli te asimptote
Izračunajmo prostornino telesa Um ki nastane z rotacijo lika med cisoido
in njeno asimptoto okoli osi y (slika 39) Presek nastalega telesa na višini y
63
je krožni kolobar z notranjim polmerom x in zunanjim polmerom a ki ima
ploščino π(a2minusx2) Upoštevamo še simetrijo lika glede na os x uporabimo
parametrično obliko (8) in nastavimo integral
Um = 2πintinfin
0(a2 minusx2(t))y(t)dt = 2πa3
int
infin
0
tm(tm +m+1)(2tm +1)(1+ tm)4 dt
ki ga lahko izrazimo z zgoraj vpeljanimi integrali Ik v obliki
Um = 2πa3(2I1 + (2mminus3)I2 minus (3mminus1)I3 +mI4)
Na koncu dobimo za rezultat
Um =2π2a3(m+1)(2m+1)
3m3 sin πm
Prve tri prostornine so
U2 =5π2a3
4 U4 =
15radic
2π2a3
32 U6 =
91π2a3
162
V 17 stoletju so se zanimali tudi za težišča homogenih likov in teles
Lik ki ga omejuje krivulja Hm ima težišče na abscisni osi oddaljen za xT
od osi y Da bi lahko poiskali xT moramo najprej izračunati za ta lik
moment
Mm = 2inta
0xy dx = 2int
0
infinx(t)y(t)xdt = 2a3mint
infin
0
tm
(1+ tm)4 dt
Izrazimo z integrali Ik in dobimo
Mm = 2a3m(I3 minus I4) =πa3(mminus1)(2mminus1)
3m3 sin πm
Abscisa težišča lika je potem kvocient momenta Mm in ploščine Sm
xT =(2mminus1)a
3m
64
Slika 39 Telo nastalo z zasukom lika med krivuljo C2 in njeno asimptoto
okoli osi y
Lik omejen s krivuljo Cm ima težišče na abscisni osi oddaljen za xC
od osi y Da bi poiskali xC uporabimo kar PaposndashGuldinovo pravilo za
prostornino vrtenine
2πxC sdotQm = Um
kjer je Qm ploščina lika ki ga rotiramo okoli osi y Rezultat je proti vsem
pričakovanjem zelo preprost
xC =(2m+1)a
3m
Poznoantični matematik Papos iz Aleksandrije (290ndash350) v grščini Πάπ-
πος ὁ Αλεξανδρεύς v latinščini Pappus je pomemben ker je zbral prak-
tično vse dotakratno matematično znanje Grkov in dodal še marsikaj svo-
65
jega Njegovo najpomembnejše delo je rdquoZbirkardquo v grščini Συναγωγή Uk-
varjal se je tudi s klasičnimi grškimi geometrijskimi problemi
Jezuit Paul Guldin (1577ndash1643) je bil švicarski matematik in astronom
profesor matematike na Dunaju in v Gradcu Pred tem je študiral v Rimu
Skupaj s Paposom je znan
po pravilih za izračun prostornine rotacijskega telesa in površine rotacij-
ske ploskve
Slika 40 Telo nastalo z zasukom lika ki ga omejuje H4 okoli osi y
ProstorninaXm vrtenine ki nastane z rotacijo lika omejenega s krivuljo
Hm okoli osi y je po PaposndashGuldinovem pravilu za prostornino enaka
Xm = 2πxT sdot Pm = 2π(2mminus1)a
3msdota2(mminus1)πm2 sin π
m=
2π2a3(2mminus1)(mminus1)3m3 sin π
m
Slika 40 kaže vrtenino za primer krivulje H4 Podobne slike bi dobili tudi
za druge Hm
Če isti lik rotiramo okoli premice x = a tangente na krivuljo Hm v
točki D dobimo vrtenino s prostornino Ym ki jo izračunamo prav tako
66
po PaposndashGuldinovem pravilu za prostornino in dobimo
Ym = 2π(aminusxT ) sdot Pm = 2π(m+1)a
3msdota2(mminus1)πm2 sin π
m=
2π2a3(m2 minus1)3m3 sin π
m
Opazimo da je prostornina Ym enaka prostornini Um telesa ki nastane
z rotacijo lika med krivuljo Cm in njeno asimptoto okoli te asimptote
Dokler ni bil razvit infinitezimalni račun kakršnega poznamo danes
so računali ploščine težišča prostornine in površine za vsak primer pose-
bej Veliko so se v 17 stoletju pa tudi že prej znani matematiki ukvarjali
s cikloido na primer N Kuzanski M Mersenne G Galilei G P de Rober-
val C Wren G Cardano B Pascal I Newton G W Leibniz C Huygens
je neko njeno lastnost uporabil pri izdelavi ure na nihalo
Evdoksova kampila
Oglejmo si naslednjo konstrukcijo točk krivulje V točki D(a0) pri čemer
je a gt 0 postavimo pravokotnico p na abscisno os Na p izberemo točko
A ki jo bomo kasneje premikali po tej premici Skozi O in A načrtamo
premico q in skozi A krožnico s središčem v koordinatnem izhodišču O
Krožnica preseka abscisno os v točkah B in Bprime ki sta simetrični glede na
točko O V B in Bprime konstruiramo pravokotnici r in rprime na os x ki presekata
p v točkah T in T prime ki sta tudi simetrični glede na točko O Ko teče točka
A po premici p opišeta T in T prime dvodelno krivuljo ki so jo poimenovali
rdquoEvdoksova kampilardquo Točka T opiše njeno desno vejo T prime pa levo Krivulja
je očitno simetrična glede na obe koordinatni osi (slika 41)
Enačbo desne veje dobljene Evdoksove kampile je najlaže najprej izraz-
iti v polarnih koordinatah nato pa še v implicitni obliki v pravokotnih
67
Slika 41 Konstrukcija točk Evdoksove kampile
kartezičnih koordinatah Za polarni kot ϕ vzamemo naklonski kot pre-
mice q za polarni radij pa razdaljo ∣OT ∣ (slika 41) Najprej očitno veljata
zvezi ∣OA∣ = ∣OD ∣cosϕ = acosϕ in = ∣OT ∣ = ∣OB∣cosϕ = ∣OA∣cosϕ iz
katerih dobimo = acos2ϕ tako da je nazadnje pri pogoju minusπ2 ltϕ ltπ2
polarna enačba desne veje Evdoksove kampile
(ϕ) =a
cos2ϕ (10)
Obe veji krivulje imata implicitno obliko
a2(x2 +y2) = x4 (11)
ki jo dobimo iz polarne oblike z upoštevanjem zvez 2 = x2 + y2 in cosϕ =
x Krivulja v obliki (11) ima izolirano točko O(00) ki je posledica del-
jenja z ki je lahko tudi enak 0 Evdoksova kampila je algebrska krivulja
četrte stopnje
Z Evdoksovo kampilo se da podvojiti kocko Načrtamo krožnico s
središčem v točkiD in polmerom a Njena enačba je x2+y2 = 2ax Vstavimo
68
Slika 42 Podvojitev kocke z Evdoksovo kampilo
2ax namesto x2 + y2 v (11) in dobimo enačbo x4 minus2a3x = x(x3 minus2a3) = 0 ki
ima realni rešitvi x0 = 0 in x1 = a 3radic
2 V prvem kvadrantu se krožnica in
Evdoksova kampila sekata v točki T (a 3radic
2aradic
2 3radic
2minus 3radic
4) kar pomeni da
ima točka T absciso
∣T0T ∣ = b = a 3radic2
Kocka z robom b ima prostornino b3 = 2a3 torej dvakratnik prostornine
kocke z robom a
Grška beseda καμπύλος pomeni rdquokriv zavit upognjenrdquo v ženski ob-
liki καμπύλη beseda γραμμή pa rdquočrta potezardquo Polno ime krivulje je v
grščini καμπύλη γραμμή torej rdquokriva črtardquo na kratko so jo poimenovali kar
rdquokampilardquo kateri so dodali še Evdoksovo ime Evdoks iz Knida (408ndash355
pnš) Εὔδοξος ὁ Κνίδιος je bil starogrški matematik in astronom Bil je
Arhitov učenec v Tarentu grško Τάρας in Platonov na Akademiji v Ate-
nah Obiskal je tudi Sicilijo in Egipt Kasneje je ustanovil svojo šolo v
Kiziku grško Κύζικος ob Mramornem morju ali Propontidi grško Προ-
ποντίς Pomemben je njegov doprinos v teoriji razmerij in nesoizmerljivih
količin kar je uporabil Evklid Εὐκλείδης v svojih Elementih Στοιχεῖα
69
Grška beseda εὔδοξος pomeni med drugim rdquosloveč slaven ugledenrdquo
V astronomiji je Evdoks zagovarjal geocentrični svetovni sistem in za
pojasnitev gibanja planetov in Lune uvedel sistem koncentričnih sfer ki
se vrtijo ena v drugi S tem v zvezi je uvedel še eno krivuljo ki jo poznamo
pod imenom rdquoEvdoksova hipopedardquo
Problem podvojitve kocke je na svojevrsten način s torusom valjem
in stožcem rešil pitagorejec in vojaški poveljnik Arhitas iz Tarenta v južni
Italiji grško Αρχύτας ὁ Ταραντίνος rojen med letoma 435 in 410 umrl
pa med letoma 360 in 350 pnš Morda je Evdoks Arhitovo prostorsko
rešitev problema podvojitve kocke poenostavil na reševanje v ravnini in
tako prišel do svoje kampile Dokazano to ni nikjer ve se le da mu je
rešitev uspelo najti z neko krivuljo Način reševanja pa je podoben reše-
vanju z Uhlhornovo toksoido ki ima tudi podobno enačbo v polarni obliki
(ϕ) = acos3ϕ
Tako Uhlhornova toksoida kot Evdoksova kampila spadata v skupino
Clairautovih krivulj = acosnϕ ali = asinnϕ Če je n racionalno število
je Clairautova krivulja algebrska Alexis Claude Clairaut (1713ndash1765) je
bil francoski matematik in astronom
Evdoksovo kampilo brez izolirane toke O parametriziramo kar s po-
larnim kotom
x(ϕ) =a
cosϕ y(ϕ) =
asinϕcos2ϕ
Njena ukrivljenost κ(ϕ) se izraža v obliki
κ(ϕ) =cos3ϕ(3sin2ϕ minus1)
a(3sin2ϕ +1)32
Ukrivljenost spremeni predznak pri kotu ϕ za katerega je 3sin2ϕ minus1 = 0
V takih točkah ima krivulja prevoje Evdoksova kampila ima štiri in sicer
70
Slika 43 Desna veja Evdoksove kampile prevoja in pritisnjena krožnica
v točkah (plusmnaradic
62plusmnaradic
32) Strmini tangent v teh točkah sta plusmn2radic
2 Os x
presekata za desno vejo v točki G(3aradic
680) Krivinski polmer v točkah
D inDprime je enak a Središče pritisnjene krožnice v točkiD je v točki S(2a0)
Približno ujemanje krivulje tangent v prevojih Pplusmn in pritisnjene krožnice v
temenu D kaže slika 43 Ujemanje bi lahko izkoristili za približno podvo-
jitev kocke Če namesto Evdoksove kampile vzamemo kar njeno tangento
y = 2radic
2(xminusaradic
62)+aradic
32
v prevoju v prvem kvadrantu in poiščemo absciso ξ presečišča s krožnico
x2 +y2 = 2ax dobimo
ξa=
118
radic
24radic
6minus23+
radic6
3+
19≐ 1259956951
namesto točnejše vrednosti
3radic
2a
≐ 1259921049
71
Če bi podoben račun naredili za Uhlhornovo toksoido ki se v prevojih
tudi približno ujema s tangentama bi dobili slabši rezultat
Zgoraj opisani približek lahko izkoristimo za precej natančno evklid-
sko konstrukcijo roba b podvojene kocke z robom a V koordinatnem sis-
temu Oxy narišemo krožnico s polmerom a s središčem v točki D(a0)
skozi O pa konstruiramo premico p z naklonskim koeficientom k = 2radic
2
Na abscisni osi konstruiramo točkoG(3aradic
680) in skoznjo premico q vz-
poredno s p Presečišče te premice s krožnico je točka T njena pravokotna
projekcija na os y pa točka T0 Razdalja b = ∣T0T ∣ je dober približek za
a 3radic
2 (slika 44) Pri tem izkoristimo izraza za diagonalo kvadrata in višino
enakostraničnega trikotnika v katerih nastopataradic
2 inradic
3 s kombinacijo
obeh pa šeradic
6 Podrobnosti so izpuščene z malo truda lahko konstrukcije
izvede vsak sam
Slika 44 Približna podvojitev kocke
Zrcalno sliko Evdoksove kampile (11) na krožnici x2 + y2 = a2 takoj
dobimo iz polarne oblike njene desne veje lowast(ϕ) = acos2ϕ Z zapisom v
pravokotnih kartezičnih koordinatah dobimo implicitno obliko za celotno
prezrcaljeno krivuljo
(x2 +y2)3 = a2x4
72
Krivulja je algebrska šeste stopnje Simetrična je glede na obe koordinatni
osi Njeni največji odkloni od osi x so pri polarnih kotih ϕ za katere je
3sin2ϕ = 1 to je v točkah (plusmn2aradic
69plusmn2aradic
39) kjer ima krivulja vodo-
ravni dvojni tangenti
Slika 45 Zrcaljenje Evdoksove kampile na krožnici
Nova krivulja spada med Clairautove Ploščina P obeh delov jajčastih
oblik je
P = 4 sdota2
2 intπ2
0cos4ϕdϕ = 2a2 sdot
34
sdotπ2=
3πa2
8
Problem podvojitve kocke grško διπλασιασμός τοῦ κύβου ali deloški
problem poimenovan po grškem otoku Delosu v Egejskem morju je reše-
valo več grških geometrov ki so celo skušali izdelati v ta namen posebno
orodje Platon je pograjal Evdoksove Arhitove in Menajhmove učence
češ da njihovi napori kvarijo kar je dobrega v geometriji Nastal je celo
epigram (puščica zbadljivka) v zvezi s podvojitvijo kocke ki je zapisan v
Evtokijevih komentarjih k Arhimedovi razpravi rdquoO krogli in valjurdquo grško
Περὶ σφαίρας καὶ κυλίνδρου Matematik in neoplatonist Evtokij iz Aškalona
v Palestini Εὐτόκιος ὁ Ασκαλονίτης je bil poznoantični matematik rojen
73
okoli leta 480 umrl pa je okoli leta 520 O njem se ve bore malo Nekaj
časa je deloval v Atenah nazadnje pa v Aleksandriji Napisal je tudi ko-
mentarje k Apolonijevi razpravi rdquoStožnicerdquo v grščini Κωνικά Na stožnice
se je v srednjem kar nekoliko pozabilo zanimanje zanje je spet oživelo
šele v času Keplerja in Newtona ko je bil potreben opis gibanja planetov
v heliocentričnem svetovnem sistemu
Navedimo omenjeni epigram v grščini in v prevodu S Weiss (vzeto iz
obsežnega knjižnega dela v treh delih [3])
Μηδὲ σύ γrsquo Αρχύτεω δυσμήχανα ἔργα κυλίνδρων
μηδὲ Μεναιχμείους κωνοτομεῖν τριάδας
διζήσηι μηδrsquo εἴ τι θεουδέος Εὐδόξοιο
καμπύλον ἐν γραμμαῖς εἶδος ἀναγράφεται
Težkih Arhitovih del s cilindri nikar ne posnemaj
stožnic Menajhmovih treh nikdar izsekal ne boš
niti ne boš spoznal če božanskega črte Evdoksa
res zarišejo lik tak iz zavitih kampil
Videli smo kaj vse se da povedati o neki krivulji če obvladamo in-
finitezimalni račun Seveda nam je to sedaj ko imamo na voljo najnovejše
pripomočke in obsežno ter dostopno matematično literaturo veliko laže
kot je bilo matematikom v 17 stoletju ko so v marsičem še orali ledino
Pomembni znanstveniki rojeni v 17 stoletju
Navedimo nekaj pomembnih znanstvenikov predvsem matematikov fizi-
kov in astronomov ki so se rodili v 17 stoletju Razvrščeni so po letnicah
74
rojstva Veliko podatkov dobimo v [1 5] in na svetovnem spletu
Gilles Personne de Roberval (1602ndash1675)
Pierre de Fermat (1607ndash1665)
Giovanni Alfonso Borelli (1608ndash1679)
Evangelista Torricelli (1608ndash1647)
John Pell (1610ndash1685)
Johann Hevel (1611ndash1687)
Frans van Schooten (1615ndash1660)
Carlo Renaldini (1615ndash1698)
John Wallis (1616ndash1703)
Henry Oldenburg (1618ndash1677)
Michelangelo Ricci (1619ndash1682)
William Brouncker (1620ndash1684)
Edmeacute Mariotte (1620ndash1684)
Jean Picard (1620ndash1682)
Vincenzo Viviani (1622ndash1703)
Reneacute-Franccedilois de Sluse (1622-1685)
Blaise Pascal (1623ndash1662)
Giovanni Domenico Cassini (1625ndash1712)
Robert Boyle (1627ndash1691)
Christiaan Huygens (1629ndash1695)
Isaac Barrow (1630ndash1677)
Ehrenfried Walther von Tschirnhaus (1631ndash1708)
Christopher Wren (1632ndash1723)
Johann Hudde (1633ndash1704)
Robert Hooke (1635ndash1703)
75
William Neile (1637ndash1670)
James Gregory (1638ndash1675)
Philippe de la Hire (1640ndash1719)
Isaac Newton (1643ndash1727)
Olaus Roslashmer (1644ndash1710)
Gottfried Wilhelm Leibniz (1646ndash1716)
Denis Papin (1647ndash1712)
Michel Rolle (1652ndash1719)
Pierre Varignon (1654ndash1722)
Jacob Bernoulli (1655ndash1705)
Edmund Halley (1656ndash1742)
Guillaume Franccedilois Antoine LrsquoHocircpital (1661ndash1704)
David Gregory (1661ndash1708)
Abraham de Moivre (1667ndash1754)
Johann Bernoulli (1667ndash1748)
Jacopo Francesco Riccati (1676ndash1754)
Giulio Carlo Fagnano (1682ndash1766)
Roger Cotes (1682ndash1716)
Reneacute Antoine Reacuteaumur (1683ndash1757)
Greacutegoire de Saint-Vincent (1584ndash1667)
Brook Taylor (1685ndash1731)
Gabriel Daniel Fahrenheit (1686ndash1736)
Colin Maclaurin (1698ndash1746)
Pierre Louis Moreau de Mapertuis (1698ndash1759)
76
Viri
[1] I Asimov Biografska enciklopedija znanosti in tehnike Tehniška za-
ložba Slovenije Ljubljana 1978
[2] J Bair V Henry Sluse ses perles et son algorithme Losanges 14
(2011) str 14ndash18 httphdlhandlenet2268100155 (videno 10
7 2021)
[3] G Kocijančič (urednik) Fragmenti predsokratikov Študentska za-
ložba Ljubljana 2012
[4] G Loria Spezielle algebraische und transscendente ebene Kurven
Teubner Leipzig 1902
[5] U C Merzbach C B Boyer A History of Mathematics John Wiley amp
Sons Hoboken New Jersey 2011
[6] J J OrsquoConnor E F Robertson Reneacute Franccedilois Walter de Sluze MacTu-
tor
httpsmathshistoryst-andrewsacukBiographiesSluze
(videno 10 7 2021)
[7] B von Pape Von Eudoxus zu Uhlhorn Books on Demand Norderstedt
2019
[8] M Razpet Pomnožitev hiperkocke Obzornik mat fiz 68 (2021) št 1
str 1-9
[9] M Razpet in N Razpet Prepogibanje papirja podvojitev kocke in
Slusova konhoida Obzornik mat fiz 67 (2020) št 2 str 41-51
77
[10] Y Renotte Reneacute de Sluze dialogues avec Christiaan Huygens
Bulletin de lrsquouniversiteacute du 3e acircge - Liegravege 23 (2021) 4 strani
httphdlhandlenet22682596400 (videno 10 7 2021)
[11] R F Slusius Mesolabum seu duaelig mediaelig proportionales inter ex-
tremas datas per circulum et ellipsim vel hyperbolam infinitis modis
exhibitaelig Leodii Eburonum Liegravege 1659
[12] R F Slusius Mesolabum seu duaelig mediaelig proportionales inter ex-
tremas datas per circulum et per infinitas hyperbolas vel ellipses et
per quamlibet exhibitaelig ac problematum omnium solidorum effectio
per easdem curvas Leodii Eburonum Liegravege 1668
[13] D Uhlhorn Entdeckungen in der houmlhern Geometrie theoretisch und
practisch abgehandelt Schulzersquosche Buchhandlung Oldenburg 1809
[14] I Vidav Algebra Mladinska knjiga Ljubljana 1972
Avtor se zahvaljuje prof dr Milanu Hladniku za strokovni pregled
copy(2021) Marko Razpet
78
So pa matematiki že davno odkrili da se da srednji geometrijski so-
razmernici najti tudi s parabolama Iz relacije (1) namreč sledita preprosti
zvezi
x2 = ay y2 = bx
V prvi spoznamo enačbo parabole ki ima za simetralo ordinatno os gorišče
v točki F(0a4) in vodnico y = minusa4 v drugi pa enačbo parabole ki ima za
simetralo absciso os gorišče v točki G(b40) in vodnico x = minusb4 (slika 7)
Slika 7 Do srednjih geometrijskih sorazmernic s parabolama
Paraboli se sekata v točkah O(00) in A(3radica2b
3radicab2) Konstrukcijo je
odkril Menajhmos grško Μέναιχμος ki je živel v 4 stoletju pnš Prvi je
vpeljal stožnice kot preseke stožca z ravnino Teorijo stožnic je temeljito
obdelal Apolonij iz Perge (265ndash170 pnš) grško Απολλώνιος ὁ Περγαῖος
Njegove knjige so matematiki uporabljali še vse do Newtonovih časov
Prav tako pridemo do srednjih geometrijskih sorazmernic če poiščemo
presečišči parabole x2 = ay z goriščem F(0a4) in vodnico y = minusa4 ter
krožnice x2 + y2 = bx + ay ki ima središče v točki S(b2a2) in premer
17
Slika 8 Do srednjih geometrijskih sorazmernic s parabolo in krožnico
d =radica2 +b2 Parabola in krožnica se sekata v točkah O in A(
3radica2b
3radicab2)
(slika 8) kar potrdi preprost račun Opisano konstrukcijo je obvladal Reneacute
Descartes Menajhmos in Descartes sta pokazala da se z njunima kon-
strukcijama da rešiti problem podvojitve kocke Za b je treba v opisanih
postopkih vzeti 2a Pripomnimo še da je bila starogrška matematika
pretežno matematika razmerij in sorazmerij in tako je bilo še celo vrsto
stoletij Srednjo geometrijsko sorazmernico x daljic dolžin a in b tako
da velja a ∶ x = x ∶ b iz česar sledi x =radicab se da konstruirati z neoz-
načenim ravnilom in šestilom Spomnimo se na višinski izrek v pravokot-
nem trikotniku ki je pravzaprav posledica podobnosti dveh trikotnikov
na katera višina na hipotenuzo razdeli pravokotni trikotnik
Pri dveh srednjih geometrijskih sorazmernicah x in y pa se kot smo
videli pojavi kubični koren ki pa z omenjenima geometrijskima orodjema
ni konstruktibilen To so matematiki dokazali šele v 19 stoletju Do takrat
so problem skušali rešiti na druge načine in pri tem odkrili nove krivulje
tako da njihov trud le ni bil popolnoma zaman Geometrijski objekt bo za
18
nas rdquokonstruktibilenrdquo če se ga da konstruirati z neoznačenim ravnilom in
šestilom
Drugo de Slusovo delo
De Sluse še vedno velja za izjemno učenega človeka nadarjenega za mate-
matiko izumiteljstvo in posploševanje Njegovo ime je še danes povezano
z njegovimi konhoidami in perlami De Slusova konhoida (slika 9) ki ima
implicitno obliko
(xminus c)(x2 +y2)minus2cx2 = 0
je precej natančno obravnavana v članku [9]
Slika 9 Slusova konhoida
Reneacute de Sluse se ni ukvarjal le z matematiko ampak tudi z astronomijo
fiziko naravoslovjem in seveda teologijo Pogosto se je pritoževal nad
omejitvami ki so mu jih nalagale njegove verske in upravne funkcije
Ni veliko eksperimentiral ker za to ni imel posebnega veselja pa tudi
ne tehničnih možnosti Je pa predlagal drugim zlasti Huygensu da naj
naredijo tak ali drugačen eksperiment Z zanimanjem je bral prepovedane
19
knjige N Kopernika G Galileja in J Keplerja ter kritiziral prizadevanja za
obnovitev starih konceptov Pisal je že o ekscentričnosti v zvezi s Soncem
Zdi se da je za svoje izračune uporabljal oba sistema heliocentričnega
in geocentričnega Rad je opazoval zvezdnato nebo Tako v kemiji kot
drugje se je znašel na razpotju Prebral je modne knjige o alkimiji in
celo ponovil poskus sublimacije antimona v belo barvo vendar je bila nje-
gova razlaga odločno korpuskularna saj je uporabljal Boylove zamisli o
strukturi tekočega in trdnega stanja V podporo temu je izvajal poskuse
zamrzovanja različnih raztopin in študiral sestavo lojevca V medicinski
kemiji se je zanimal za zdravilne vode in jih tudi analiziral
V fiziki sta ga je posebej zanimala merjenje temperature in praktična
termometrija Če ne upoštevamo odkritij E Torricellija in B Pascala o
vplivu atmosferskega tlaka na zračni termometer je de Sluse leta 1664
izumil svoj termometer z voščeno kroglico pomešano s peskom ki se je
gibala v stekleni cevi zaprti na dnu napolnjeni s slano vodo tako da je
bila kroglica bolj ali manj potopljena v sredini cevi kar je opisal v pismih
Huygensu Kroglica je označevala vsako spremembo v zraku iz toplejšega
na hladnejše ko se je spuščala ali dvigala Huygens je odgovoril da je
njegov termometer prepočasen vendar je zanesljivejši od drugih istovrst-
nih termometrov ker je manj podvržen vplivu atmosferskega tlaka Žal
ni poznal florentinskega termometra ko je svojim dopisnikom vključno s
Huygensom in Oldenburgom povedal o svojem izumu Florentinski ter-
mometri so pomenili odločilen korak naprej pri merjenju temperature
Bili so prvi ki so omogočali natančne meritve Pred iznajdbo v Firencah
okoli leta 1650 so bili stari modeli zelo približni določali so ali je pred
nami nekaj hladnega ali vročega ne da bi lahko odčitali ali ocenili tem-
peraturo Razlika je v tem da je steklena cev zaprta tako da je vpliv tlaka
20
odpravljen Uporabljali so se predvsem petdesetstopinjski termometri
Taki termometri so večinoma služili za določanje nihanja temperature zra-
ka v zaprtih prostorih in na prostem Oblikovanje termometra je takrat
pomenilo tudi določitev njegove merilne lestvice vendar še brez Celzijevih
ali Fahrenheitovih stopinj Pri tem so bile stopinje enakomerno razpore-
jene med dvema skrajnostma in sicer med nivojem najhladnejše tekočine
pozimi (nizka točka) in nivojem najbolj vroče tekočine poleti (visoka točka)
Zaradi teh zelo relativnih vrednosti je primerjava meritev med dvema ter-
mometroma nezanesljiva Ob upoštevanju pripomb jo je večkrat spreme-
nil in jo ponovno predložil Oldenburgu do leta 1669 ko je R Boyle izrazil
negativno mnenje glede topnosti voska kroglic v slani tekočini Po tem da-
tumu termometer ni bil nikoli več omenjen De Sluse je zboljšal različne
instrumente ure številčnice barometre Ker ga je motilo prerekanje med
raziskovalci glede avtorstva odkritij je po Oldenburgovi smrti leta 1677
končal svojo znanstveno dejavnost
Šele v 18 stoletju so razvijali temperaturne merilne lestvice C Re-
naldini (1694) O C Roslashmer (1702) G Fahrenheit (1717) Reneacute-Antoine
F de Reacuteaumur (1730) in A Celsius (1741) Enota kelvin (K ndash v čast lordu
Kelvinu 1824-1907) osnovna enota mednarodnega sistema enot za tem-
peraturo je bila uvedena šele leta 1954
De Sluse je bil tudi zgodovinar Napisal je knjigo o smrti sv Lam-
berta škofa v Tongresu ki je bil ubit na kraju kamor je sv Hubert njegov
naslednik prenesel sedež svoje škofije Kraj se je kasneje razvil v Liegravege
Druga zgodovinska študija se nanaša na slavnega maastrichtskega škofa
sv Servacija Med de Slusovimi neobjavljenimi rokopisi je tudi zgodovina
Koumllna Pripomnimo še da je sv Hubert zavetnik lovcev matematikov
optikov in kovinarjev
21
O širini de Sluzovih interesov priča raznolikost tem ki so zajete na
več sto straneh njegovega dela neobjavljenih rokopisov ki jih zdaj hrani
Narodna knjižnica Bibliotheque Nationale v Parizu Čeprav se je ukvarjal
predvsem z matematiko njegovi rokopisi obravnavajo tudi astronomijo
fiziko in naravoslovje
De Slusove perle
Po de Slusu so po zaslugi B Pascala (več o tem v [4]) imenovane tudi
krivulje rdquode Slusove perlerdquo to so krivulje ki se v pravokotnem kartezi-
čnem koordinatnem sistemu Oxy izražajo z enačbo
ym = kxn(aminusx)p (2)
Pri tem so eksponenti mn in p naravna števila a in k pa pozitivni kon-
stanti Glede na parnost eksponentovmn in p formalno razlikujemo osem
možnosti od katerih imamo opravka s perlami le v primeru ko je m sodo
število s pravimi perlami pa v primeru ko je m sodo število n in p pa lihi
števili (slika 10) Skupno tem krivuljam so simetričnost glede na os x in
presečišča s to osjo pri x = 0 in x = a De Sluse je po svoje brez uporabe
odvoda izračunal da njegove perle dosegajo lokalne ekstreme največji
odstop od osi x med 0 in a za x = na(n+p)
V teh primerih je ploščina S lika ki ga ograjuje zanka perle enaka
S = 2k1mint
a
0xnm(aminusx)pmdx = 2k1ma(m+n+p)mint
1
0tnm(1minus t)pmdt
Integracijsko spremenljivko x smo zamenjali z novo spremenljivko t prek
relacije x = at da smo dobili obliko ki jo lahko izrazimo z Eulerjevima
22
Slika 10 Primeri de Slusovih perl
funkcijama B in Γ
S = 2k1ma(m+n+p)mB(nm+1pm+1) =
= 2k1ma(m+n+p)mΓ(nm+1)Γ(pm+1)
Γ((n+p)m+2)=
= 2k1ma(m+n+p)mnp
(m+n+p)(n+p)
Γ(nm)Γ(pm)
Γ((n+p)m)
Pri rotaciji okoli osi x ta lik v prostoru opiše telo s prostornino
V =πk2mint
a
0x2nm(aminusx)2pmdx =πk2ma(m+2n+2p)m
int
1
0t2nm(1minust)2pmdt
23
Slika 11 Zasuk de Slusove perle za m = 2n = 3p = 1k = 001 okoli osi x
Integracijsko spremenljivko x smo tudi to pot zamenjali z novo spremenljivko
t prek relacije x = at da smo dobili obliko ki jo lahko izrazimo z Eulerje-
vima funkcijama B in Γ
V =πk2ma(m+2n+2p)mB(2nm+12pm+1) =
=πk2ma(m+2n+2p)mΓ(2nm+1)Γ(2pm+1)Γ((2n+2p)m+2)
=
= 2πk2ma(m+2n+2p)m np
(m+2n+2p)(n+p)Γ(2nm)Γ(2pm)
Γ((2n+2p)m)
Poseben primer de Slusove perle
Natančneje bomo obravnavali de Slusovo perlo samo primer za m = n = 2
p = 1 in k = 1a to se pravi krivuljo K ki ima implicitno enačbo ay2 =
x2(a minus x) To pa zato ker se posamezne točke te krivulje da preprosto
konstruirati z osnovnim geometrijskim orodjem
24
Geometrijska konstrukcija in analitična obravnava
Do posameznih točk T krivulje K pridemo s preprosto geometrijsko kon-
strukcijo (slika 12) V pravokotnem kartezičnem koordinatnem sistemu
Oxy načrtamo premico x = a kjer je a pozitivna konstanta Skozi koordi-
natno izhodišče O potegnemo premico p ki ima enačbo y = tx in preseka
premico x = a v točki A(ata) Parameter t smerni koeficient premice p s
katerim je sorazmerna ordinata točkeA bomo kasneje spreminjali V točki
A na p postavimo pravokotnico q ki seka os x v točki B V B načrtamo na
q pravokotnico r ki seka premico x = a v točki C nazadnje pa skozi C še
pravokotnico s na r Presečišče premic p in s naj bo točka T (xy) Sedaj
bomo izrazili njeni koordinati x in y s parametrom t
Slika 12 Konstrukcija točke T de Slusove perle K
Premica q ima enačbo y = minus(x minus a)t + at in preseka os x v točki B(a +
at20) Premica r ima enačbo y = t(x minus aminus at2) in preseka premico x = a v
točki C(aminusat3) premica s pa enačbo y = minus(xminus a)t minus at3 Koordinati točke
T sta rešitvi sistema enačb
y = tx y = minusxminusat
minusat3
25
Po krajšem računu dobimo
x(t) = a(1minus t2) y(t) = at(1minus t2) (3)
To sta parametrični enačbi krivulje K Ko spreminjamo t po vseh realnih
vrednostih oziroma ko A drsi po premici x = a točka T (xy) opiše krivuljo
K (slika 13) z zanko ki spominja na perlo
Če si mislimo da je parameter t čas enačbi (3) predstavljata sestav-
ljeno gibanje točkaste mase v dveh med seboj pravokotnih smereh v koor-
dinatni ravnini v smeri osi x po pravilu prve enačbe v smeri osi y pa po
pravilu druge enačbe Tirnica takega gibanja je krivulja K Podoben le da
bolj preprost primer imamo tudi pri gibanju točkaste mase pri poševnem
metu
Slika 13 De Slusova perla K
Ko se t spreminja od zelo velikih negativnih vrednosti potuje T po
loku v drugem kvadrantu navzdol in doseže za t = minus1 prvič točko O Za
minus1 le t le 0 opiše lok v četrtem kvadrantu odO do temenaD(a0) za 0 le t le 1
opiše lok v prvem kvadrantu od D do točke O ki jo doseže drugič za t = 1
za t gt 1 pa se spusti po loku v tretjem kvadrantu navzdol
26
Če upoštevamo (3) dobimo
x2(t)(aminusx(t)) = a2(1minus t2)2 sdotat2 = a(at(1minus t2))2 = ay2(t)
To pomeni da je ay2 = x2(aminusx) implicitna enačba krivulje K in da je K al-
gebrska krivulja tretje stopnje Krivulja K je simetrična glede na os x Za
točke ki so zelo blizu koordinatnemu izhodiščuO je člen x3 zanemarljivo
majhen v primerjavi s kvadratnima členoma zato je tam enačba krivulje
K približno ay2 = ax2 oziroma (y minusx)(y +x) = 0 Ta enačba razpade na dve
y = x in y = minusx V točki O ima krivulja tangenti y = x in y = minusx ki se sekata
pravokotno V točki D je tangenta na krivuljo premica x = a Krivulja ima
na zanki dve glede na os x simetrično ležeči lokalno ekstremni točki v ka-
terih je tangenta vzporedna z osjo x To sta točki Mplusmn(2a3plusmn2aradic
39) De
Sluse jih je na svojevrsten način pravilno izračunal čeprav je bilo v nje-
govem času računanje z odvodi še v zametkih Da bi pravilnost ekstrem-
nih točk preverili brez odvoda uporabimo kvadrat ekstremne ordinate ki
je y2M = 4a227 in zapišimo izraz
ay2M minusx2(aminusx) = 4a327minusax2 +x3 = (xminus2a3)2(x+a3)
ki je za 0 lt x lt a nenegativen in enak 0 za x = 2a3 To pomeni da je
tedaj x2(a minus x) le 4a327 in največja ordinata na zanki krivulje je 2aradic
39
najmanjša pa minus2aradic
39 oboje pri x = 2a3 (slika 14)
Z uporabo odvoda gre vse veliko hitreje Ordinata y doseže ekstrem
takrat kot ay2 Zato je vseeno če poiščemo ekstrem enostavnejše funkcije
g(x) = x2(a minus x) = ax2 minus x3 Potreben pogoj za to je g prime(x) = 2ax minus 3x2 = 0
Dobimo stacionarni točki x1 = 0 in x2 = 2a3 Uporabimo še g primeprime(x) = 2aminus6x
Ker je g primeprime(x1) = 2a gt 0 in g primeprime(x2) = minus2a lt 0 ima funkcija g v točki x1 lokalni
minimum ki je enak 0 v točki x2 pa lokalni maksimum ki je enak 4a327
27
Slika 14 Lokalna ekstrema na de Slusovi perli K
Ekstremna točka na zanki kjer je tangenta vzporedna z osjo x je očitno
le v x2 kvadrat ekstremne ordinate je tedaj g(x2)a = 4a227 = 12a281
Ekstremni ordinati sta torej plusmn2aradic
39 pri abscisi 2a3
Abscise 2a3 ni težko geometrijsko konstruirati prav tako tudi ne or-
dinate 2aradic
39 ki je 29 razdalje ∣PminusP+∣ = aradic
3 kjer sta Pminus in P+ presečišči
krožnih lokov s središčema v točkahO inD in polmerom ∣OD ∣ To pomeni
da sta točki Pminus in P+ konstruktibilni
Če bi načrtali celotna krajša krožna loka med Pminus in P+ bi dobili med
njima lečast lik ki so mu nekoč rekli rdquovesica piscisrdquo kar dobesedno pomeni
rdquoribji mehurrdquo Lik je bil zelo znan v srednjeveški sakralni umetnosti
Čeprav v de Slusovem času še niso poznali odvoda funkcije v današn-
jem smislu so že vedeli zahvaljujoč Fermatu da ima funkcija v točki
lokalnega ekstrema vodoravno tangento
28
Spremljajoča parabola
Nastajanje krivulje K spremljajo še nekatere druge bolj ali manj znane
krivulje Najprej si oglejmo kaj dobimo če točko O pravokotno projici-
ramo na premice r in spreminjamo parameter t Dobljena projekcija naj
bo R (slika 15)
V prispevku se pogosto sklicujemo na povezavo med smernima koe-
ficientoma premice in pravokotnice nanjo Koeficienta sta si inverzna in
nasprotna Zato zlahka napišemo enačbo premice r in pravokotnice skozi
O nanjo
y = t(xminusaminusat2) y = minusxt
Njuno presečišče R ima koordinati
x(t) = at2 y(t) = minusat
Z izločitvijo parametra t dobimo y2 = ax kar pomeni da točke R pri spre-
minjanju točkeA po premici x = a opišejo parabolo rdquospremljajočo parabolordquo
ki ima gorišče v točki F(a40) in vodnico v z enačbo x = minusa4
Slika 15 De Slusova perla K in spremljajoča parabola
29
Ogrinjače
Ko drsi točka A po premici x = a premice s ogrinjajo neko krivuljo Ks
Premice s so v točki T krivulje K pravokotne na premice skozi O in T
Njeno enačbo dobimo po standardnem postopku Enačba premic s je
F(xyt) = y +xminusat
+at3 = 0
To je enoparametrična družina premic ki ogrinjajo krivuljo Ks imeno-
vano rdquoogrinjačardquo te družine (slika 16) V vsaki točki ogrinjače se jo dotika
ena premica v različnih točkah različne premice družine Enačbo njihove
ogrinjače v implicitni obliki dobimo tako da iz sistema enačb
Slika 16 De Slusova perla K in ogrinjače Ks Kq Kr
F(xyt) = 0partFpartt
(xyt) = 0
izločimo parameter t Iz enačbe
partFpartt
(xyt) = minus(xminusa)t2 +3at2 = 0
30
dobimo najprej xminusa = 3at4 kar vstavimo v prvo enačbo v sistemu in imamo
y = minus4at3 Dobili smo ogrinjačo v parametrični obliki
x(t) = a(1+3t4) y(t) = minus4at3
Izločimo t in enačba iskane ogrinjače Ks v implicitni obliki je pred nami
27y4 = 256a(xminusa)3
Ker je y dobljene krivulje sorazmeren s potenco (x minus a)34 lahko rečemo
da je ogrinjača premic s četrtkubična parabola
Podobno poiščemo ogrinjačo Kq premic q
F(xyt) = yt +xminusaminusat2 = 0partFpartt
(xyt) = y minus2at = 0
Ogrinjača v parametrični obliki je to pot
x(t) = a(1minus t2) y(t) = 2at
Z izločitvijo parametra t dobimo njeno enačbo v implicitni obliki
y2 = minus4a(xminusa)
Dobljena krivulja Kq je parabola z vodnico x = 2a in goriščem v točki O
(slika 16)
Nazadnje po enakem postopku kot doslej poiščemo še ogrinjačo Kr
premic r
F(xyt) = y minus tx+at +at3 = 0partFpartt
(xyt) = minusx+a+3at2 = 0
Ogrinjača v parametrični obliki je potem
x(t) = a(1+3t2) y(t) = 2at3
31
Z izločitvijo parametra t dobimo njeno enačbo še v implicitni obliki
27ay2 = 4(xminusa)3
Dobljena krivulja Kr je polkubična ali Neilova parabola z ostjo v točki
D(a0) kjer ima vodoravno tangento (slika 16) Krivuljo Ks smo up-
ravičeno imenovali četrtkubična parabola Slednja ima v točki D(a0)
navpično tangento
Edinole premice p od tistih ki sodelujejo v konstrukciji točk krivulje
K nimajo ogrinjače Vse premice p namreč potekajo skozi koordinatno
izhodišče O in očitno ne ogrinjajo nobene krivulje
Nožiščne krivulje
Novo krivuljoHprime dobimo če na tangente dane krivuljeH pravokotno pro-
jiciramo izbrano točko Φ Vse projekcije P nožišča točke Φ na tangentah
krivuljeH sestavljajo krivuljoHprime ki jo imenujemo rdquonožiščnardquo ali rdquopedalna
krivuljardquo krivulje H glede na točko Φ
Beseda rdquopedalenrdquo izhaja iz latinske rdquopedalisrdquo kar pomeni rdquonoženrdquo Os-
novna beseda je rdquopesrdquo v rodilniku ednine rdquopedisrdquo kar pomeni rdquonogardquo Od
tod izvirajo tudi besede rdquopedalordquo rdquopedalarrdquo in rdquopedalinrdquo
Poiščimo nekaj nožiščnih krivulj glede na koordinatno izhodišče O
Najprej za krivuljo K ki je poseben primer de Slusove perle Za odvod
v točki T isinK ki ustreza parametru t dobimo
dy
dx(x) =
y
x(t) =
3t2 minus12t
Enačbi tangente v T in pravokotnice skozi O nanjo pa se glasita
y minusat(1minus t2) =3t2 minus1
2t(xminusa(1minus t2)) y =
2t1minus3t2
x
32
Sekata se v točki P s koordinatama
x(t) =a(t2 minus1)2(1minus3t2)
9t4 minus2t2 +1 y(t) =
2at(t2 minus1)2
9t4 minus2t2 +1 (4)
S tem smo našli parametrični enačbi krivulje Kprime (slika 17) Do implicitne
enačbe je dolga pot prek rezultante dveh polinomov spremenljivke t od
katerih je prvi druge drugi pa pete stopnje Najprej opazimo da je v (4)
yx = 2t(1minus 3t2) kar lahko zapišemo kot p(t) = 3yt2 + 2xt minus y = 0 drugo
enačbo pa zapišemo v obliki q(t) = 2at5 minus 9yt4 minus 4at3 + 2yt2 + 2at minus y = 0
Zaradi enostavnosti smo pisali x in y brez argumenta t Da izločimo pa-
rameter t je treba zapisati rdquorezultantordquo R(p(t)q(t)) polinomov p(t) in
q(t) in jo izenačiti z 0 (glej [14])
R(p(t)q(t)) =
RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR
2a minus9y minus4a 2y 2a minusy 0
0 2a minus9y minus4a 2y 2a minusy
3y 2x minusy 0 0 0 0
0 3y 2x minusy 0 0 0
0 0 3y 2x minusy 0 0
0 0 0 3y 2x minusy 0
0 0 0 0 3y 2x minusy
RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR
= 0
Zadnji stolpec je deljiv z y Ker y = 0 ni del iskane nožiščne krivulje pre-
ostane ko izračunamo determinanto in jo okrajšamo z y in preuredimo
27y2(x2 +y2)2 +4ax(x2 minus9y2)(x2 +y2)minus4a2(x2 minusy2)2 = 0
Rezultat je torej algebrska krivulja šeste stopnje Krivulja je simetrična
glede na abscisno os točka O pa je njena posebna točka Za zelo majhne
x in y prevlada zadnji člen kar pomeni da sta premici y = x in y = minusx v O
tangenti na krivuljo
33
Slika 17 Nožiščna krivulja Kprime krivulje K glede na koordinatno izhodišče
Zanka krivulje Kprime nekoliko spominja na srčnico ali kardioido ki jo
opisujejo točke krožnice ki se brez drsenja kotali po enako veliki krožnici
Krivulja Kprime ima še neomejeni del ki se razteza po drugem in tretjem kvad-
rantu Poglejmo kako potuje točka po krivulji v parametrizaciji (4) ko
parameter t teče po številski premici Za t lt minus1 poteka krivulja po tretjem
kvadrantu pri čemer x(t)rarr minusinfin in y(t)rarr minusinfin ko t rarr minusinfin Pri t = minus1 točka
doseže O v obliki osti ki ima za tangento premico y = x Za minus1 lt t lt 0
potuje točka po četrtem kvadrantu doseže točko D pri t = 0 za 0 lt t lt 1
potuje naprej po prvem kvadrantu in pri t = 1 spet doseže O kjer ima
ost s tangento y = minusx nato nadaljuje pot po drugem kvadrantu pri čemer
x(t)rarr minusinfin in y(t)rarrinfin ko trarrinfin
Nožiščna krivulja malo prej obravnavane krivulje Ks glede na točko O
ni nič drugega kot krivulja K Premice s so namreč tangente na Ks nožišča
točke O na njej pa so točke krivulje K Lahko pa to preverimo z računom
34
tako kot smo poiskali nožiščno krivuljo Kprime za K glede na točko O
Za odvod v poljubni točki na Ks ki ustreza parametru t dobimo
dy
dx(x) =
y
x(t) = minus
1t
Enačbi tangente v tej točki in pravokotnice skozi O nanjo pa se glasita
y +4at3 = minus1t(xminusa(1+3t4)) y = tx
Sekata se v točki s koordinatama
x(t) = a(1minus t2) y(t) = at(1minus t2)
To sta ravno parametrični enačbi krivulje K tako da velja Kprimes =K
Podobno ugotovimo tudi da je premica x = a nožiščna krivulja za para-
bolo Kq Premica x = a je tangenta te parabole v temenu V splošnem je
temenska tangenta parabole kar njena nožiščna krivulja glede na gorišče
Ugotovili smo torej da je nožiščna krivulja krivulje Kr spremljajoča para-
bola krivulje K
Ekstremne točke nožiščne krivulje Kprime
Ekstremne točke na zanki krivulje Kprime dobimo iz odvodov
x(t) =2at(1minus t2)(3t2 +1)(9t4 +2t2 minus3)
(9t4 minus2t2 +1)2
y(t) =2a(t2 minus1)(3t2 +1)(3t4 +6t2 minus1)
(9t4 minus2t2 +1)2
Za t = 0 doseže v točki D(a0) abscisa svojo največjo vrednost Za t = plusmn1
poteka krivulja skozi točko O kjer sama sebe preseka pod pravim kotom
ker je yprime(0) = (yx)(plusmn1) = ∓1
35
Najmanjšo absciso na zanki ima krivulja Kprime v točki ki jo določa para-
meter t za katerega velja pogoj 9t4 +2t2 minus3 = 0 To je bikvadratna enačba
katere realni rešitvi sta tplusmn = plusmnradic
2radic
7minus13 ustrezni točki na krivulji pa
izračunamo z enačbama (4) in dobimo
Xplusmn(a(17minus7radic
7)27plusmnaradic
74radic
7minus17227)
Ekstremni ordinati na zanki ima krivulja takrat za tisto vrednost para-
metra t za katerega velja pogoj 3t4 + 6t2 minus 1 = 0 Realni rešitvi te bi-
kvadratne enačbe sta tplusmn = plusmn(3radic
2minusradic
6) 4radic
36 ustrezni točki na krivulji pa
Yplusmn(a(3minusradic
3)3plusmna 4radic123)
Ker v koordinatah ekstremnih točk nastopajo poleg osnovnih aritmetičnih
operacij le kvadratni in bikvadratni (četrti) koreni so te točke konstruk-
tibilne
Cisoida
Spoznali smo enega od načinov pridobivanja novih ravninskih krivulj iz
danih to je z nožišči izbrane točke na tangentah dane krivulje Krivulji
s tem priredimo nožiščno krivuljo glede na izbrano točko Drug tak pre-
prost način kako iz znanih krivulj dobimo nove je cisoidni način Kako
pa ta poteka
Denimo da sta znani krivulji K1 in K2 ter točka O ki ležijo v isti
ravnini Pri tem sta K1 in K2 taki krivulji da vsaka premica p skozi O
ki seka K1 v neki točki T1 seka tudi K2 recimo v točki T2 (slika 18) Za
vsak T1 označimo na p točko T tako da veljaETHOT =
ETHETHT1T2 Ko T1 potuje po
K1 T opiše krivuljo C ki jo imenujemo cisoida krivulj K1 in K2 glede na
točko O Definicije take cisoide se nekoliko razlikujejo od vira do vira
36
Slika 18 Krivulja C je cisoida krivulj K1 in K2 glede na točko O
Dioklova cisoida s katero rešimo problem podvojitve kocke je cisoida
krožnice x2 + y2 = ax in premice x = a glede na koordinatno izhodišče O
Več o cisoidah in njihovi uporabi je napisanega na primer v [8]
Krivulja K je povezana tudi s polkubično ali semikubno ali Neilovo
parabolo poimenovano po Williamu Neilu (1637ndash1680) Parametrični
enačbi (3) lahko zapišemo v vektorski obliki v standardni bazi kot razliko
kolinearnih vektorjev
r(t) = (x(t)y(t)) =ETHOT = (a(1minus t2)at(1minus t2)) = (aat)minus (at2at3)
Vektor r1(t) = (aat) = (a0)+at(01) je enačba premice x = a v parametrični
obliki vektor r2(t) = (at2at3) pa polkubične parabole ki ima enačbo ay2 =
x3 in ost v točkiO Parameter t geometrijsko pomeni tangens naklonskega
kota premice OA (slika 13)
Premica y = tx poteka skozi koordinatno izhodišče O in seka premico
x = a v točkiA(aat) zato jeETHOA = r1 Ista premica seka polkubično parabolo
P ki ima enačbo ay2 = x3 v točki P (at2at3) tako da jeETHOP = r2 S tem je
ETHPA =
ETHOAminus
ETHOP = r1minus r2 = r To pomeni da je r =
ETHOT =
ETHOAminus
ETHOP Potemtakem
je krivulja K cisoida polkubične parabole P z enačbo ay2 = x3 in premice
37
Slika 19 De Slusova perla K kot cisoidna krivulja
x = a glede na točko O (slika 19)
Neilova parabola in ločna dolžina
Neilova ali polkubična parabola ay2 = x3 je bila v zgodovini matematike
pomembna kot ena prvih krivulj za katero so znali izračunati ločno dolžino
Prav prvi je to znal John Wallis (1616ndash1703) leta 1657
Denimo da nas zanima ločna dolžina `(b) te krivulje nad intervalom
[0b] (slika 20) Znano je da lahko uporabimo formulo za ločno dolžino
krivulje ki je dana v eksplicitni obliki
`(b) = intb
0
radic
1+yprime2dx
Pri tem je y = f (x) enačba krivulje in yprime = f prime(x) V našem primeru je y =
38
Slika 20 Neilova ali polkubična parabola
f (x) = plusmnradicx3a Kratek račun nam da yprime2 = 9x(4a) in
`(b) = intb
0
radic
1+9x4adx
Z uvedbo nove integracijske spremenljivke u z relacijo u2 = 1 + 9x(4a)
dobimo
`(b) =8a9 int
c
1u2du =
8a27
(c3 minus1)
pri čemer je c =radic
1+9b(4a)
Leibnizeva izohrona je krivulja po kateri se je leta 1687 vprašal G W
Leibniz Poiskati je treba v navpični ravnini krivuljo po kateri se brez
trenja giblje točkasta masa ki je podvržena konstantnemu težnostnemu
polju tako da je navpična komponenta njene hitrosti ves čas konstantna
Nalogo je prvi rešil C Huygens nizozemski astronom fizik in matema-
tik znan tudi po odkritju Saturnovega satelita Titana in znamenitih Sat-
urnovih obročev ter po izdelavi prve ure na nihalo kar je bilo za tiste čase
velik napredek v merjenju točnega časa
39
Slika 21 Leibnizeva izohrona
Izhodišče O postavimo v najvišjo točko krivulje (slika 21) V tej točki
je horizontalna hitrost premikajoče se mase m enaka 0 Naj bo v0 njegova
navpična hitrost navzdol Os y je vodoravna os x pa usmerjena navz-
dol Potencialno energijo mase računamo nad izbranim nivojem spodaj V
skladu z načelom ohranitve mehanske energije v času t in času 0 potem
velja12mv2(t)+mg(hminusx(t)) =
12mv2
0 +mgh
Pri tem je g težni pospešek Po poenostavitvi dobimo v2(t) = 2gx(t)+ v20
Vektor hitrosti ima v vsakem trenutku med seboj pravokotni komponenti
v(t) = (x(t) y(t)) za t = 0 pa v(0) = (v00) Upoštevamo da je ∣v(t)∣2 =
v2(t) = x2(t) + y2(t) in da je x(t) = v0 pa imamo sistem diferencialnih
enačb
x(t) = v0 y(t) =radic
2gx(t)
ki ga rešimo pri začetnih pogojih x(0) = y(0) = 0 in dobimo
x(t) = v0t y(t) =23
radic2gv0t3
40
Koordinati točk na dobljeni krivulji zadoščajo enačbi
ay2 = x3 a =9v2
0
8g
Pri dani konstanti a je v0 = (23)radic
2ag Iskana krivulja je torej Neilova
parabola Ime izohrona je dobila zato ker točkasta masa po vertikali
v enakih časih prepotuje enake razdalje V grščini beseda ἴσος pomeni
rdquoenakrdquo χρόνος pa rdquočasrdquo
Dolžina ` zanke krivulje K nas pripelje do zapletenega eliptičnega in-
tegrala za katerega zapišimo približno vrednost
` = 2aint1
0
radic9t4 minus2t2 +1dt ≐ 271559186a
Pač pa je dolžina loka ` četrtkubične parabole Ks ogrinjače premic s bolj
prijazna Za dolžino loka od točke D ki ustreza parametru t = 0 do točke
ki ustreza parametru t = α dobimo
` = 12aintα
0t2
radic1+ t2dt =
3a2
(α(1+2α2)radic
1+α2 minus ln(α +radic
1+α2))
Prav tako dolžina loka ` navadne parabole Kq ogrinjače premic q ne
dela težav Za dolžino loka od točke D ki ustreza parametru t = 0 do
točke ki ustreza parametru t = α dobimo
` = 2aintα
0
radic1+ t2dt = a(α
radic1+α2 + ln(α +
radic1+α2))
Za spremljajočo parabolo dobimo prav tako enostaven rezultat za ločno
dolžino od točke O do točke ki ustreza parametru t = α
` = intα
0
radic1+4t2dt =
a4(2α
radic1+4α2 + ln(2α +
radic1+4α2))
Nazadnje zapišimo še ločno dolžino polkubične parabole Kr
` = 6aintα
0tradic
1+ t2dt = 2a((1+α2)radic
1+α2 minus1)
41
Pri vseh zgornjih primerih je parameter t strmina premice p v prvotni
konstrukciji krivulje K
Ploščine in prostornine
Ploščina S lika ki ga omejuje zanka krivulje K je
S =2radica int
a
0xradicaminusxdx
Z uvedbo nove integracijske spremenljivke t z relacijo aminusx = t2 je
S =4radica int
radica
0t2(aminus t2)dt =
4radica int
radica
0(at2 minus t4)dt =
8a2
15
Lahko pa jo izrazimo tudi s splošno formulo ki smo jo izpeljali na začetku
razdelka S to formulo lahko izrazimo še prostornino V telesa ki ga pri
rotaciji okoli osi x opiše lik
V =πa int
a
0x2(aminusx)dx =
πa3
12
To je ravno polovica prostornine krogle s premerom a
Pač pa je izraz za ploščino S prime lika ki ga omejuje zanka krivulje Kprime bolj
zapleten izraz Uporabimo parametrični enačbi (4) in dobimo
S prime = int1
0(x(t)y(t)minus x(t)y(t))dt = 2a2
int
1
0
(1minus t2)3(1+2t2 minus3t4)(9t4 minus2t2 +1)2 dt
Če se zanesemo na računalniško računanje določenih integralov potem je
S prime =2a2
729(3(43πminus28)+52
radic2ln(1+
radic2))
kar je približno S prime ≐ 1059206796a2 Do enakega rezultata pridemo z
navidez enostavnejšo formulo
S prime = 2inta
0y(x)dx
42
toda drugim težjim integralom
S prime = 2int0
1y(t)x(t)dt = minus8a2
int
1
0
t2(1minus t2)3(3t2 +1)(9t4 +2t2 minus3)(9t4 minus2t2 +1)3 dt
Zakaj smo integrirali po parametru t od 1 do 0 Zato ker abscisa x narašča
od 0 do a ko t pada od 1 do 0 Ordinata y pa je pri tem nenegativna (glej
izraza (4))
Tudi izraz za prostornino V prime telesa ki ga pri rotaciji okoli osi x opiše
lik omejen s Kprime je navidez enostaven
V prime =πinta
0y2(x)dx
toda s parametrom t je zapleten a eksaktno izračunljiv
V prime =πint0
1y2(t)x(t)dt = 8πint
1
0
t3(t2 minus1)5(3t2 +1))(9t4 +2t2 minus3)(9t4 minus2t2 +1)4 dt
Za rezultat dobimo
V prime =2πa3
19683(431π
radic2+369+744ln2)
kar je približno V prime ≐ 08936800975a3
Naj bo s tem računanja integralov dovolj V nadaljevanju se bomo
posvetili nekaterim lažjim problemom
Tangenta
Pri krivuljah v koordinatnem sistemu Oxy so pomembni štirje dotikalni
elementi za posamezne točke T odsek na tangenti ∣TA∣ odsek na normali
∣T B∣ subtangenta ∣AT prime∣ in subnormala ∣BT prime∣ (slika 23) Izražajo se takole
∣TA∣ = ∣y
yprime
radic
1+yprime2∣ ∣T B∣ = ∣yradic
1+yprime2∣ ∣T primeA∣ = ∣y
yprime∣ ∣T primeB∣ = ∣yyprime∣
43
Slika 22 Ploščini likov omejenih z zankama krivulj K in Kprime
Pri tem pomeni yprime = f prime(x) če je enačba krivulje y = f (x) Točka T prime je pra-
vokotna projekcija točke T na abscisno os A je presečišče tangente na
krivuljo v točki T z osjo x B pa presečišče normale z osjo x Dotikalni
elementi so posebej definirani tudi za krivulje v polarnih koordinatah
Slika 23 Dotikalni elementi krivulje
De Sluse je za algebrsko krivuljo f (xy) = 0 po svoje našel izraz za sub-
tangento ts to je pravokotno projekcijo odseka na tangenti
44
na os x V današnji pisavi se subtangenta izraža v obliki
ts = minusy
partfparty (xy)
partfpartx (xy)
Za krivuljo K je f (xy) = ay2 minusx2(aminusx) = 0 in
ts =2x(xminusa)3xminus2a
Lotimo se še konstrukcije tangente t in normale n naK v točki T0(x0y0) ne
O ki enolično določa točko A(aay0x0) kot presečišče premice p skozi O
in T0 s premico x = a Skozi A povlecimo vzporednico nprime z normalo n na K
v točki T0 Normala ima smerni koeficient kn = tsy0 oziroma
kn =
partfparty (x0y0)
partfpartx (x0y0)
=2ay0
x0(3x0 minus2a)
Premica nprime ima enačbo
y minusay0
x0=
2ay0
x0(3x0 minus2a)(xminusx0)
in preseka abscisno os v točki T1(x10) za katero po krajšem računu do-
bimo x1 = 2a minus 3x02 Točko T1 in premico nprime zlahka geometrijsko kon-
struiramo Iskana tangenta t v točki T0 je pravokotna na nprime normala n pa
vzporedna z nprime (slika 24)
Inverzija krivulje K na krožnici
Po navadi za ravninske krivulje pogledamo še njihove inverzne slike na
krožnici Inverzija ali zrcaljenje na krožnici x2 + y2 = r2 je ravninska pres-
likava ι definirana s predpisom
ι ∶ (xy)↦ (r2x
x2 +y2 r2y
x2 +y2)
45
Slika 24 Tangenta in normala na krivuljo K
S spreminjanjem polmera r krožnice dobimo med seboj podobne krivulje
Če zrcalimo na krožnici x2 + y2 = a2 krivuljo K ki ima implicitno enačbo
(2) dobimo krivuljo Klowast ki ima enačbo
y4 = minusx3(aminusx)
ki je formalno oblike (2) zam = 4n = 3p = 1 in k = minus1 Dobljena krivuljaKlowast
je simetrična glede na os x ima dve veji abscisa na njej doseže ekstremni
vrednosti v točkah O(00) in D(a0) Ima pa kot bomo videli tudi dve
asimptoti y = xminusa4 in y = minusx+a4 (slika 25)
Krivuljo Klowast se da lepo parametrizirati s parametrom τ če v njeno
enačbo y4 = minusx3(aminusx) vstavimo y = τx Dobimo
x(τ) =a
1minusτ4 y(τ) =aτ
1minusτ4
To sta parametrični enačbi krivulje Klowast
Ko τ uarr minus1 x(τ)rarr minusinfin in y(τ)rarr +infin ko τ darr minus1 x(τ)rarr +infin in y(τ)rarr minusinfin
ko τ uarr +1 x(τ)rarr +infin in y(τ)rarr +infin ko τ darr +1 x(τ)rarr minusinfin in y(τ)rarr minusinfin
46
Slika 25 Inverzna slika Klowast krivulje K
Konstanti k in n poševne asimptote y = kx + n krivulje Klowast dobimo s
formulama
k = limxrarrplusmninfin
y
x n = lim
xrarrplusmninfin(y minus kx)
V našem primeru je
k = limxrarrplusmninfin
y
x= limτrarrplusmn1
τ = plusmn1 n = a limτrarrplusmn1
τ ∓11minusτ4 = ∓
a4
Poševni asimptoti sta torej premici y = plusmn(xminusa4)
Obnašanje krivulje v okolici točke D utemeljimo če zapišemo impli-
citno obliko krivulje nekoliko drugače
y4 = (xminusa)x3 = (xminusa)(a+(xminusa))3 = a3(xminusa)+3a2(xminusa)2+3a(xminusa)3+(xminusa)4
47
Slika 26 Krivulja Klowast in približka v okolici točk O in D
Za x ki je zelo blizu a prevlada na desni prvi člen tako da je y4 asymp a3(xminusa)
Razlika xminusa se torej obnaša približno tako kot bikvadrat ordinate y
V okolici točke O kjer so abscise negativne iz istega razloga velja y4 asymp
minusax3 zato se tam krivulja obnaša približno tako kot četrtkubična parabola
(slika 26)
Inverzija krivulje Kprime na krožnici
Na krožnici x2 + y2 = a2 zrcalimo še krivuljo Kprime nožiščno krivuljo krivulje
K glede na točko O Dobimo dvodelno krivuljo Kprimelowast kakršno vidimo na
sliki 27
Enačba nove krivulje v implicitni obliki je
4(x2 minusy2)2 minus4ax(x2 minus9y2)minus27a2y2 = 0
48
Slika 27 Inverzna slika Kprimelowast krivulje Kprime
Krivulja je algebrska četrte stopnje je simetrična glede na os x ima ost
z vodoravno tangento v točki O skozi točko D pa poteka v blagem loku
Natančneje ugotovimo približni potek krivulje v okolici teh dveh točk če
v zgornji enačbi obdržimo prevladujoče člene V okolici točke O kjer so
abscise negativne je ay2 asymp minus4x327 torej približno tako kot polkubična
parabola V okolici točke D(a0) je y2 asymp minus4a(x minus a) kar pomeni da se
krivulja obnaša približno tako kot parabola
Pritisnjeni krožnici na K
Pritisnjeni krožnici v točki O na krivuljo K sta inverzni sliki asimptot
krivulje Klowast na krožnici x2 + y2 = a2 Preprost račun pokaže da se asimp-
toti krivulje Klowast z inverzijo ι preslikata v krožnici x2 + y2 plusmn4ay minus4ax = 0 ki
imata središči v točkah Splusmn(2aplusmn2a) in polmer 2aradic
2 Sekata se pavokotno
v točkah O in M(4a0) Inverzija ι namreč ohranja kote (slika 28)
49
Slika 28 Pritisnjeni krožnici na krivuljo K v točki O
Ukrivljenost κ(t) krivulje K v točki ki ustreza parametru t brez težav
izračunamo iz njenih parametričnih enačb (3)
κ(t) =2(3t2 +1)
a(1minus2t2 +9t4)32
V posebnem primeru je v točki O to se pravi za t = plusmn1 ukrivljenost enaka
κ(plusmn1) = 1(2aradic
2) zato sta v O polmera pritisnjenih krožnic 1κ(plusmn1) =
2aradic
2 kar se seveda ujema z rezultatom dobljenim z inverzijo na krožnici
Toksoida
Videli smo da je inverzna slika krivulje K krivulja Klowast ki ima enačbo y4 =
minusx3(aminusx) ki je formalno oblike (2) zam = 4n = 3p = 1 in k = minus1 Prav tako
je krivulja ay2 = minusx2(aminus x) ki jo dobimo iz enačbe ay2 = x2(aminus x) krivulje
K če zamenjamo aminus x z x minus a formalno oblike (2) za m = 2n = 2p = 1 in
50
k = minus1a Krivuljo označimo jo s T ki ima enačbo
ay2 = x2(xminusa)
je nemški amaterski matematik samouk in izumitelj Diedrich (tudi Diede-
rich) Uhlhorn (1764ndash1837) imenoval rdquotoksoidardquo V svojem delu [13] obrav-
nava več krivulj in za nekatere tudi opiše mehanske naprave s katerimi
se jih da risati pa tudi njihovo uporabo pri reševanje enačb Beseda rdquotok-
soidardquo izvira iz dveh grških τόξον kar pomeni rdquolokrdquo (kot orožje) pa tudi
rdquopuščicardquo in εἶδος kar med drugim pomeni rdquooblika podobardquo D Uhlhorn
je imenoval krivuljo v nemščini rdquoBogenlinierdquo ker nemški samostalnik rdquoBo-
genrdquo pomeni prav tako rdquolokrdquo Iz besede τόξον smo dobili tudi besede ki
so povezane s strupi kajti bojne puščice so bile često zastrupljene
Slika 29 Toksoida
Toksoida ima tudi izolirano točkoO(00) saj njeni koordinati zadoščata
implicitni enačbi
Iz implicitne enačbe toksoide dobimo z zamenjavo y = tx njeni parametri-
čni enačbi
x(t) = a(1+ t2) y(t) = at(1+ t2) (5)
ki pa ne vključujeta izolirane točke O
51
Toksoida je algebrska krivulja tretje stopnje simetrična glede na os x
ki jo preseka za t = 0 v točki D(a0) kjer ima navpično tangento Krivulja
na prvi pogled ni nič posebnega a že D Uhlhorn je pokazal kako se kon-
struira njene posamezne točke in kako se z njo podvoji kocko
Slika 30 Konstrukcija točk toksoide
Do točke T na toksoidi pridemo takole V koordinatnem sistemu Oxy
za pozitiven a določimo točko D(a0) in skoznjo konstruiramo pravokot-
nico na os x torej premico x = a (slika 30) Na tej premici izberemo točko
A ki jo bomo spreminjali da bomo dobili krivuljo Skozi O in A nato
načrtamo premico p v A pa nanjo pravokotnico q ki seka abscisno os v
točki B V B postavimo na abscisno os pravokotnico r ki preseka premico
p v točki T Ko A potuje po premici x = a točka T opiše toksoido T brez
izolirane točke O
Da res dobimo toksoido T je treba samo zapisati enačbi y = tx premice
p in y = minus(x minus a)t + at premice q ter točki A(aat) in B(a(1 + t2)0) ter
T (a(1+t2)at(1+t2)) Koordinati točke T pa res dasta paramatrični enačbi
52
toksoide
Slika 31 Konstrukcija srednjih geometrijskih sorazmernic s toksoido
Iz podobnih trikotnikov ODA OAB in OBT na sliki 30 sledi relacija
∣OD ∣
∣OA∣=∣OA∣
∣OB∣=
∣OB∣∣OT ∣
kar pomeni da sta ∣OA∣ in ∣OB∣ srednji geometrijski sorazmernici daljic
∣OD ∣ = a in ∣OT ∣ = b Zato lahko izrazimo ∣OA∣ =3radica2b in ∣OB∣ =
3radicab2 na isti
način kot pri (3)
Če imamo že načrtano toksoido T potem srednji geometrijski sorazmer-
nici za a in b gt a dobimo tako da poiščemo presečišče T krožnice s sredi-
ščem v O skozi točko C(b0) in na zgoraj opisan način poiščemo premice
pq in r ter točki A in B (slika 31) Za b = 2a na ta način rešimo problem
podvojitve kocke ∣OA∣ = a 3radic
2
Ukrivljenost κ(t) toksoide T v točki ki ustreza parametru t brez težav
53
izračunamo iz njenih parametričnih enačb (5)
κ(t) =2(3t2 minus1)
a(1+10t2 +9t4)32
Opazimo da ukrivljenost menja predznak pri t = plusmn1radic
3 kar nam da točki
Pplusmn(4a3plusmn4aradic
39) v katerih ima T prevoja s tangentama s smernima koe-
ficientoma plusmnradic
3 Tangenti oklepata z osjo x kota plusmnπ3 Pritisnjena krožnica
v točki D ki ustreza t = 0 ima za polmer 1∣κ(0)∣ = a2 in središče v točki
S(3a20) (slika 32)
Slika 32 Prevoja toksoide T in pritisnjena krožnica v točki D
Prevoja sta konstruktibilna pri čemer si lahko pomagamo z vesico pis-
cis nad daljico OD Njeni točki Vplusmn sta narazen za aradic
3 premici skozi O
in Vplusmn pa določata smeri tangent v prevojih Prav tako je konstruktibilna
točka S V okolici točk D in Pplusmn je ujemanje toksoide s pritisnjeno krožnico
v D in tangentama v prevojih Pplusmn zelo dobro
54
Enačba toksoide T v polarnih koordinatah in ϕ je
(ϕ) =a
cos3ϕ
kar sledi iz njene implicitne oblike
a(x2 +y2) = x3
Pri tem je treba le upoštevati zvezi x2 +y2 = 2 in x = cosϕ
Polarna oblika je zelo primerna za študij inverzije na krožnici s središčem
v točki O in polmerom R Če je namreč lowast polarni polmer invertirane
krivulje mora veljati relacija
(ϕ)lowast(ϕ) =R2
Če izberemo R = a dobimo za inverzno sliko toksoide T krivuljo (slika 33)
T lowast ki ima nasledno enačbo v polarnih koordinatah
lowast(ϕ) = acos3ϕ
Slika 33 Inverzna slika T lowast toksoide T
55
Iz polarne oblike krivulje T lowast hitro izpeljemo še njeno implicitno enačbo
(x2 +y2)2 = ax3
Torej je T lowast algebrska krivulja četrte stopnje
Ploščino S lika ki ga ograjuje krivulja T lowast izračunamo po znani for-
muli
S = 2 sdot12 int
π2
0lowast2(ϕ)dϕ = a2
int
π2
0cos6ϕdϕ = a2 sdot
56
sdotπ2=
5πa2
32
Krivulja T lowast je simetrična glede na os x v točkah O in D ima navpični
tangenti največji odklon od osi x pa doseže v točkah Yplusmn(9a16plusmn3aradic
316)
kjer ima vodoravni tangenti in sicer pri polarnih kotih plusmnπ6
De Slusove pomnoževalke hiperkock
Podvojitev kocke je kot vemo klasični grški geometrijski problem ki se ga
ne da rešiti evklidsko to je samo z neoznačenim ravnilom in šestilom kar
so dokazali šele v 19 stoletju Problem zahteva določiti rob kocke ki ima
prostornino enako dvakratniku prostornine dane kocke To pomeni da
je treba za dano daljico a konstruirati tako daljico b za katero je b = a 3radic
2
Problem podvojitve kocke so Grki znali rešiti na več načinov Eden od njih
je možen s posebno ravninsko krivuljo z Dioklovo cisoido (več na primer
v [7])
Povsem smiselno se je vprašati kako bi pomnožili s faktorjem s gt 0
poljubno r-razsežno hiperkocko z robom a Njena prostornina je ar zato
je b = a rradics rob hiperkocke katere prostornina je s-kratnik prostornine
hiperkocke z robom a Dva primera sta trivialna Za r = 1 imamo daljico
56
njena rdquoprostorninardquo je kar njena dolžina a za r = 2 pa kvadrat čigar rdquopros-
torninardquo je kar njegova ploščina a2 Za r = 3 imamo opraviti z običajno
kocko z običajno prostornino a3 V prvih dveh primerih množenje s fak-
torjem s ni problematično saj s problemom lahko geometrijsko rešimo s
podobnimi trikotniki in z višinskim izrekom v pravokotnem trikotniku
Za r ge 4 si r-razsežno hiperkocko teže predstavljamo ker je ne moremo
realizirati z običajno geometrijo To pa ni ovira pri pomnožitvi take hiper-
kocke s številom s ker moramo znati samo njen rob a geometrijsko pom-
nožiti s številom rradics kar pa lahko naredimo v običajni ravnini V mate-
matični analizi je r-razsežna hiperkocka z robom a na primer kar r-kratni
kartezični produkt intervala [minusa2a2] s samim seboj to je množica
[minusa2a2]r = (x1x2 xr) isinRr ∶ ∣x1∣ le a2 ∣x2∣ le a2 ∣xr ∣ le a2
Oglejmo si de Slusove perle (2) z eksponenti mn =mminus 1 in p = 1 fak-
torjem k = 1 ter a gt 0 pri čemer je m sodo število to se pravi krivulje z
implicitno enačbo
ym = xmminus1(aminusx) (6)
oziroma xm + ym = axmminus1 Pri danem m označimo ustrezno krivuljo s Hm
Med njimi je tudi stara znanka x2 + y2 = ax krožnica s polmerom a2
in središčem v točki S(a20) Skupne vsem krivuljam so točke O(00)
Cplusmn(a2plusmna2) D(a0) ter navpični tangenti v O in D Krivulje Hm so za-
ključene in simetrične glede na os x in se dajo lepo parametrizirati z y = tx
Za vsako dobimo parametrično enačbo
x(t) =a
1+ tm y(t) =
at1+ tm
(7)
Najbolj se taka krivulja oddalji od abscisne osi za t = 1 mradicmminus1 v točkah
Yplusmn(a(mminus1)mplusmnam mradic
(mminus1)mminus1) Za t = 0 dobimo točko D za ∣t∣rarrinfin pa
57
se krivulja bliža točki O Slika 34 kaže nekaj primerov
Slika 34 Nekaj krivulj Hm
Naj bo s poljubno pozitivno število in A(0as) točka na osi y Premica
skozi A in D preseka krivuljo Hm v točkah D(a0) in B(x0y0) za katero
potrebujemo samo razmerje y0x0 Na sliki 35 je izbran eksponent m = 4
Premica skozi A in D ima enačbo xa+sya = 1 iz katere izrazimo aminusx = sy
in vstavimo v enačbo (6) Dobimo ym = ysxmminus1 Ker iščemo točko B s
pozitivno ordinato lahko z y krajšamo in dobimo y0x0 =mminus1radics
Premica skozi O in B ima enačbo y = y0xx0 in preseka premico x = a
v točki C(aay0x0) oziroma C(aa mminus1radics) Zato je ∣DC∣ = ∣OD ∣ mminus1
radics) V
primeru m = 4 in s = 2 je ∣DC∣ = ∣OD ∣3radic
2) kar pomeni da se nam je pos-
rečilo podvojiti trirazsežno kocko Za s = 3 kocko potrojimo za s = 4
početverimo itd Še več zam = 6 in s = 2 podvojimo 5-razsežno hiperkocko
58
za s = 3 jo potrojimo za s = 4 početverimo itd
Slika 35 Krivulja H4 in pomnožitev roba trirazsežne kocke
Lihih m nam ni treba posebej obravnavati ker krivulje Hm ne bi bile
prave de Slusove perle Poleg tega bi tedaj bil mminus 1 sodo število denimo
m minus 1 = 2αq z naravnim α in lihim q Korenjenje se potem da izvesti z
α-kratnim kvadratnim korenjenjem in enim q-tim korenjenjem s krivuljo
Hq+1 kakor smo zgoraj opisali
Drug način za pomnožitev hiperkock poteka s cisoidami Cm krivuljHm
in premice x = a Pri parametru t premica y = tx preseka premico x = a
v točki C(aat) točka B pa ima tedaj koordinati dani z parametričnima
enačbama (7) S koordinatami točk B in C imamo takoj
ETHBC = (aminus
a1+ tm
at minusat
1+ tm) = (
atm
1+ tmatm+1
1+ tm)
59
Slika 36 Nekaj krivulj Cm
Da bo točka T na cisoidi Cm mora veljati zvezaETHOT =
ETHBC Potemtakem ima
Cm parametrični enačbi
x(t) =atm
1+ tm y(t) =
atm+1
1+ tm (8)
Ker je t = yx dobimo še implicitno enačbo krivulje Cm
xm+1 = ym(aminusx) (9)
oziroma x(xm+ym) = aym Krivulje so za sodem definirane nad intervalom
60
[0a) so simetrične glede na os x imajo za asimptoto premico x = a in
potekajo skozi koordinatno izhodišče O in točki Cplusmn(a2plusmna2) Asimptoti
se krivulja bliža ko ∣t∣ rarr infin V točki O pri t = 0 imajo ost z vodoravno
tangento Za m = 2 dobimo staro znanko Dioklovo cisoido
Slika 37 Krivulja C4 in pomnožitev roba 5-razsežne hiperkocke
Izberimo sedaj na ordinatni osi točko A(0as) pri čemer je s pozi-
tivno število in vzemimo premico skozi točki A in D (slika 37) Ta ima
enačbo xa + y(as) = 1 iz katere izrazimo a minus x = ys Premica preseka
cisoido Cm v točki M(x0y0) s pozitivno ordinato Iz enačb premice skozi
A in D in (9) dobimo y0x0 = m+1radics Premica skozi točki O in M ima
enačbo y = y0xx0 in preseka premico x = a v točki E(aa m+1radics) Torej velja
61
zveza ∣DE∣ = ∣OD ∣ m+1radics kar pomeni da smo našli rob (m + 1)-razsežne
hiperkocke ki ima za prostornino s-kratnik prostornine dane (m + 1)-
razsežne hiperkocke
Naj bo Sm ploščina lika ki ga omejuje krivulja Hm in Qm ploščina
neomejenega lika ki ga omejuje krivulja Cm z asimptoto Ni ju težko
izraziti
Pm =a2(mminus1)πm2 sin π
m Qm =
a2(m+1)πm2 sin π
m
Nadalje naj bo Vm prostornina telesa ki nastane z rotacijo krivulje Hm
okoli osi x Wm pa prostornina neomejenega telesa ki nastane z rotacijo
krivulje Cm okoli osi x Prav tako ju ni težko izraziti
Vm =2a3(mminus1)(mminus2)π2
3m3 sin 2πm
Wm =2a3(m+1)(m+2)π2
3m3 sin 2πm
Ploščine in prostornine so poleg drugega zanimale že matematike v
17 stoletju zlasti C Huygensa Izračunajmo prostornino telesa Um ki
nastane z rotacijo lika med cisoido in njeno asimptoto okoli te asimptote
(slika 38) Uporabili bomo sodobne zapise in Eulerjevi funkciji B in Γ ki
ju C Huygens še ni mogel poznati Presek nastalega telesa na višini y je
krog s polmerom aminusx in ploščino π(aminusx)2 Upoštevamo še simetrijo lika
glede na os x uporabimo parametrično obliko (8) in nastavimo integral
Um = 2πintinfin
0(aminusx(t))2y(t)dt = 2πa3
int
infin
0
tm(tm +m+1)(1+ tm)4 dt
ki ga lahko izrazimo v obliki
Um = 2πa3(I2 + (mminus1)I3 minusmI4)
pri čemer je
Ik = intinfin
0
dt
(1+ tm)k
62
ki ima za m ge 2 in k ge 1 končno vrednost S substitucijo u = 1(1 + tm)
dobimo
Ik =1m int
1
0ukminus1minus1m(1minusu)1mminus1du =
1m
B(kminus1m1m) =Γ(k minus1m)Γ(1m)
mΓ(k)
Na koncu je rezultat zelo preprost
Um =2π2a3(m2 minus1)
3m3 sin πm
Prve tri prostornine so
U2 =π2a3
4 U4 =
5radic
2π2a3
32 U6 =
35π2a3
162
Slika 38 Telo nastalo z zasukom lika med krivuljo C2 in njeno asimptoto
okoli te asimptote
Izračunajmo prostornino telesa Um ki nastane z rotacijo lika med cisoido
in njeno asimptoto okoli osi y (slika 39) Presek nastalega telesa na višini y
63
je krožni kolobar z notranjim polmerom x in zunanjim polmerom a ki ima
ploščino π(a2minusx2) Upoštevamo še simetrijo lika glede na os x uporabimo
parametrično obliko (8) in nastavimo integral
Um = 2πintinfin
0(a2 minusx2(t))y(t)dt = 2πa3
int
infin
0
tm(tm +m+1)(2tm +1)(1+ tm)4 dt
ki ga lahko izrazimo z zgoraj vpeljanimi integrali Ik v obliki
Um = 2πa3(2I1 + (2mminus3)I2 minus (3mminus1)I3 +mI4)
Na koncu dobimo za rezultat
Um =2π2a3(m+1)(2m+1)
3m3 sin πm
Prve tri prostornine so
U2 =5π2a3
4 U4 =
15radic
2π2a3
32 U6 =
91π2a3
162
V 17 stoletju so se zanimali tudi za težišča homogenih likov in teles
Lik ki ga omejuje krivulja Hm ima težišče na abscisni osi oddaljen za xT
od osi y Da bi lahko poiskali xT moramo najprej izračunati za ta lik
moment
Mm = 2inta
0xy dx = 2int
0
infinx(t)y(t)xdt = 2a3mint
infin
0
tm
(1+ tm)4 dt
Izrazimo z integrali Ik in dobimo
Mm = 2a3m(I3 minus I4) =πa3(mminus1)(2mminus1)
3m3 sin πm
Abscisa težišča lika je potem kvocient momenta Mm in ploščine Sm
xT =(2mminus1)a
3m
64
Slika 39 Telo nastalo z zasukom lika med krivuljo C2 in njeno asimptoto
okoli osi y
Lik omejen s krivuljo Cm ima težišče na abscisni osi oddaljen za xC
od osi y Da bi poiskali xC uporabimo kar PaposndashGuldinovo pravilo za
prostornino vrtenine
2πxC sdotQm = Um
kjer je Qm ploščina lika ki ga rotiramo okoli osi y Rezultat je proti vsem
pričakovanjem zelo preprost
xC =(2m+1)a
3m
Poznoantični matematik Papos iz Aleksandrije (290ndash350) v grščini Πάπ-
πος ὁ Αλεξανδρεύς v latinščini Pappus je pomemben ker je zbral prak-
tično vse dotakratno matematično znanje Grkov in dodal še marsikaj svo-
65
jega Njegovo najpomembnejše delo je rdquoZbirkardquo v grščini Συναγωγή Uk-
varjal se je tudi s klasičnimi grškimi geometrijskimi problemi
Jezuit Paul Guldin (1577ndash1643) je bil švicarski matematik in astronom
profesor matematike na Dunaju in v Gradcu Pred tem je študiral v Rimu
Skupaj s Paposom je znan
po pravilih za izračun prostornine rotacijskega telesa in površine rotacij-
ske ploskve
Slika 40 Telo nastalo z zasukom lika ki ga omejuje H4 okoli osi y
ProstorninaXm vrtenine ki nastane z rotacijo lika omejenega s krivuljo
Hm okoli osi y je po PaposndashGuldinovem pravilu za prostornino enaka
Xm = 2πxT sdot Pm = 2π(2mminus1)a
3msdota2(mminus1)πm2 sin π
m=
2π2a3(2mminus1)(mminus1)3m3 sin π
m
Slika 40 kaže vrtenino za primer krivulje H4 Podobne slike bi dobili tudi
za druge Hm
Če isti lik rotiramo okoli premice x = a tangente na krivuljo Hm v
točki D dobimo vrtenino s prostornino Ym ki jo izračunamo prav tako
66
po PaposndashGuldinovem pravilu za prostornino in dobimo
Ym = 2π(aminusxT ) sdot Pm = 2π(m+1)a
3msdota2(mminus1)πm2 sin π
m=
2π2a3(m2 minus1)3m3 sin π
m
Opazimo da je prostornina Ym enaka prostornini Um telesa ki nastane
z rotacijo lika med krivuljo Cm in njeno asimptoto okoli te asimptote
Dokler ni bil razvit infinitezimalni račun kakršnega poznamo danes
so računali ploščine težišča prostornine in površine za vsak primer pose-
bej Veliko so se v 17 stoletju pa tudi že prej znani matematiki ukvarjali
s cikloido na primer N Kuzanski M Mersenne G Galilei G P de Rober-
val C Wren G Cardano B Pascal I Newton G W Leibniz C Huygens
je neko njeno lastnost uporabil pri izdelavi ure na nihalo
Evdoksova kampila
Oglejmo si naslednjo konstrukcijo točk krivulje V točki D(a0) pri čemer
je a gt 0 postavimo pravokotnico p na abscisno os Na p izberemo točko
A ki jo bomo kasneje premikali po tej premici Skozi O in A načrtamo
premico q in skozi A krožnico s središčem v koordinatnem izhodišču O
Krožnica preseka abscisno os v točkah B in Bprime ki sta simetrični glede na
točko O V B in Bprime konstruiramo pravokotnici r in rprime na os x ki presekata
p v točkah T in T prime ki sta tudi simetrični glede na točko O Ko teče točka
A po premici p opišeta T in T prime dvodelno krivuljo ki so jo poimenovali
rdquoEvdoksova kampilardquo Točka T opiše njeno desno vejo T prime pa levo Krivulja
je očitno simetrična glede na obe koordinatni osi (slika 41)
Enačbo desne veje dobljene Evdoksove kampile je najlaže najprej izraz-
iti v polarnih koordinatah nato pa še v implicitni obliki v pravokotnih
67
Slika 41 Konstrukcija točk Evdoksove kampile
kartezičnih koordinatah Za polarni kot ϕ vzamemo naklonski kot pre-
mice q za polarni radij pa razdaljo ∣OT ∣ (slika 41) Najprej očitno veljata
zvezi ∣OA∣ = ∣OD ∣cosϕ = acosϕ in = ∣OT ∣ = ∣OB∣cosϕ = ∣OA∣cosϕ iz
katerih dobimo = acos2ϕ tako da je nazadnje pri pogoju minusπ2 ltϕ ltπ2
polarna enačba desne veje Evdoksove kampile
(ϕ) =a
cos2ϕ (10)
Obe veji krivulje imata implicitno obliko
a2(x2 +y2) = x4 (11)
ki jo dobimo iz polarne oblike z upoštevanjem zvez 2 = x2 + y2 in cosϕ =
x Krivulja v obliki (11) ima izolirano točko O(00) ki je posledica del-
jenja z ki je lahko tudi enak 0 Evdoksova kampila je algebrska krivulja
četrte stopnje
Z Evdoksovo kampilo se da podvojiti kocko Načrtamo krožnico s
središčem v točkiD in polmerom a Njena enačba je x2+y2 = 2ax Vstavimo
68
Slika 42 Podvojitev kocke z Evdoksovo kampilo
2ax namesto x2 + y2 v (11) in dobimo enačbo x4 minus2a3x = x(x3 minus2a3) = 0 ki
ima realni rešitvi x0 = 0 in x1 = a 3radic
2 V prvem kvadrantu se krožnica in
Evdoksova kampila sekata v točki T (a 3radic
2aradic
2 3radic
2minus 3radic
4) kar pomeni da
ima točka T absciso
∣T0T ∣ = b = a 3radic2
Kocka z robom b ima prostornino b3 = 2a3 torej dvakratnik prostornine
kocke z robom a
Grška beseda καμπύλος pomeni rdquokriv zavit upognjenrdquo v ženski ob-
liki καμπύλη beseda γραμμή pa rdquočrta potezardquo Polno ime krivulje je v
grščini καμπύλη γραμμή torej rdquokriva črtardquo na kratko so jo poimenovali kar
rdquokampilardquo kateri so dodali še Evdoksovo ime Evdoks iz Knida (408ndash355
pnš) Εὔδοξος ὁ Κνίδιος je bil starogrški matematik in astronom Bil je
Arhitov učenec v Tarentu grško Τάρας in Platonov na Akademiji v Ate-
nah Obiskal je tudi Sicilijo in Egipt Kasneje je ustanovil svojo šolo v
Kiziku grško Κύζικος ob Mramornem morju ali Propontidi grško Προ-
ποντίς Pomemben je njegov doprinos v teoriji razmerij in nesoizmerljivih
količin kar je uporabil Evklid Εὐκλείδης v svojih Elementih Στοιχεῖα
69
Grška beseda εὔδοξος pomeni med drugim rdquosloveč slaven ugledenrdquo
V astronomiji je Evdoks zagovarjal geocentrični svetovni sistem in za
pojasnitev gibanja planetov in Lune uvedel sistem koncentričnih sfer ki
se vrtijo ena v drugi S tem v zvezi je uvedel še eno krivuljo ki jo poznamo
pod imenom rdquoEvdoksova hipopedardquo
Problem podvojitve kocke je na svojevrsten način s torusom valjem
in stožcem rešil pitagorejec in vojaški poveljnik Arhitas iz Tarenta v južni
Italiji grško Αρχύτας ὁ Ταραντίνος rojen med letoma 435 in 410 umrl
pa med letoma 360 in 350 pnš Morda je Evdoks Arhitovo prostorsko
rešitev problema podvojitve kocke poenostavil na reševanje v ravnini in
tako prišel do svoje kampile Dokazano to ni nikjer ve se le da mu je
rešitev uspelo najti z neko krivuljo Način reševanja pa je podoben reše-
vanju z Uhlhornovo toksoido ki ima tudi podobno enačbo v polarni obliki
(ϕ) = acos3ϕ
Tako Uhlhornova toksoida kot Evdoksova kampila spadata v skupino
Clairautovih krivulj = acosnϕ ali = asinnϕ Če je n racionalno število
je Clairautova krivulja algebrska Alexis Claude Clairaut (1713ndash1765) je
bil francoski matematik in astronom
Evdoksovo kampilo brez izolirane toke O parametriziramo kar s po-
larnim kotom
x(ϕ) =a
cosϕ y(ϕ) =
asinϕcos2ϕ
Njena ukrivljenost κ(ϕ) se izraža v obliki
κ(ϕ) =cos3ϕ(3sin2ϕ minus1)
a(3sin2ϕ +1)32
Ukrivljenost spremeni predznak pri kotu ϕ za katerega je 3sin2ϕ minus1 = 0
V takih točkah ima krivulja prevoje Evdoksova kampila ima štiri in sicer
70
Slika 43 Desna veja Evdoksove kampile prevoja in pritisnjena krožnica
v točkah (plusmnaradic
62plusmnaradic
32) Strmini tangent v teh točkah sta plusmn2radic
2 Os x
presekata za desno vejo v točki G(3aradic
680) Krivinski polmer v točkah
D inDprime je enak a Središče pritisnjene krožnice v točkiD je v točki S(2a0)
Približno ujemanje krivulje tangent v prevojih Pplusmn in pritisnjene krožnice v
temenu D kaže slika 43 Ujemanje bi lahko izkoristili za približno podvo-
jitev kocke Če namesto Evdoksove kampile vzamemo kar njeno tangento
y = 2radic
2(xminusaradic
62)+aradic
32
v prevoju v prvem kvadrantu in poiščemo absciso ξ presečišča s krožnico
x2 +y2 = 2ax dobimo
ξa=
118
radic
24radic
6minus23+
radic6
3+
19≐ 1259956951
namesto točnejše vrednosti
3radic
2a
≐ 1259921049
71
Če bi podoben račun naredili za Uhlhornovo toksoido ki se v prevojih
tudi približno ujema s tangentama bi dobili slabši rezultat
Zgoraj opisani približek lahko izkoristimo za precej natančno evklid-
sko konstrukcijo roba b podvojene kocke z robom a V koordinatnem sis-
temu Oxy narišemo krožnico s polmerom a s središčem v točki D(a0)
skozi O pa konstruiramo premico p z naklonskim koeficientom k = 2radic
2
Na abscisni osi konstruiramo točkoG(3aradic
680) in skoznjo premico q vz-
poredno s p Presečišče te premice s krožnico je točka T njena pravokotna
projekcija na os y pa točka T0 Razdalja b = ∣T0T ∣ je dober približek za
a 3radic
2 (slika 44) Pri tem izkoristimo izraza za diagonalo kvadrata in višino
enakostraničnega trikotnika v katerih nastopataradic
2 inradic
3 s kombinacijo
obeh pa šeradic
6 Podrobnosti so izpuščene z malo truda lahko konstrukcije
izvede vsak sam
Slika 44 Približna podvojitev kocke
Zrcalno sliko Evdoksove kampile (11) na krožnici x2 + y2 = a2 takoj
dobimo iz polarne oblike njene desne veje lowast(ϕ) = acos2ϕ Z zapisom v
pravokotnih kartezičnih koordinatah dobimo implicitno obliko za celotno
prezrcaljeno krivuljo
(x2 +y2)3 = a2x4
72
Krivulja je algebrska šeste stopnje Simetrična je glede na obe koordinatni
osi Njeni največji odkloni od osi x so pri polarnih kotih ϕ za katere je
3sin2ϕ = 1 to je v točkah (plusmn2aradic
69plusmn2aradic
39) kjer ima krivulja vodo-
ravni dvojni tangenti
Slika 45 Zrcaljenje Evdoksove kampile na krožnici
Nova krivulja spada med Clairautove Ploščina P obeh delov jajčastih
oblik je
P = 4 sdota2
2 intπ2
0cos4ϕdϕ = 2a2 sdot
34
sdotπ2=
3πa2
8
Problem podvojitve kocke grško διπλασιασμός τοῦ κύβου ali deloški
problem poimenovan po grškem otoku Delosu v Egejskem morju je reše-
valo več grških geometrov ki so celo skušali izdelati v ta namen posebno
orodje Platon je pograjal Evdoksove Arhitove in Menajhmove učence
češ da njihovi napori kvarijo kar je dobrega v geometriji Nastal je celo
epigram (puščica zbadljivka) v zvezi s podvojitvijo kocke ki je zapisan v
Evtokijevih komentarjih k Arhimedovi razpravi rdquoO krogli in valjurdquo grško
Περὶ σφαίρας καὶ κυλίνδρου Matematik in neoplatonist Evtokij iz Aškalona
v Palestini Εὐτόκιος ὁ Ασκαλονίτης je bil poznoantični matematik rojen
73
okoli leta 480 umrl pa je okoli leta 520 O njem se ve bore malo Nekaj
časa je deloval v Atenah nazadnje pa v Aleksandriji Napisal je tudi ko-
mentarje k Apolonijevi razpravi rdquoStožnicerdquo v grščini Κωνικά Na stožnice
se je v srednjem kar nekoliko pozabilo zanimanje zanje je spet oživelo
šele v času Keplerja in Newtona ko je bil potreben opis gibanja planetov
v heliocentričnem svetovnem sistemu
Navedimo omenjeni epigram v grščini in v prevodu S Weiss (vzeto iz
obsežnega knjižnega dela v treh delih [3])
Μηδὲ σύ γrsquo Αρχύτεω δυσμήχανα ἔργα κυλίνδρων
μηδὲ Μεναιχμείους κωνοτομεῖν τριάδας
διζήσηι μηδrsquo εἴ τι θεουδέος Εὐδόξοιο
καμπύλον ἐν γραμμαῖς εἶδος ἀναγράφεται
Težkih Arhitovih del s cilindri nikar ne posnemaj
stožnic Menajhmovih treh nikdar izsekal ne boš
niti ne boš spoznal če božanskega črte Evdoksa
res zarišejo lik tak iz zavitih kampil
Videli smo kaj vse se da povedati o neki krivulji če obvladamo in-
finitezimalni račun Seveda nam je to sedaj ko imamo na voljo najnovejše
pripomočke in obsežno ter dostopno matematično literaturo veliko laže
kot je bilo matematikom v 17 stoletju ko so v marsičem še orali ledino
Pomembni znanstveniki rojeni v 17 stoletju
Navedimo nekaj pomembnih znanstvenikov predvsem matematikov fizi-
kov in astronomov ki so se rodili v 17 stoletju Razvrščeni so po letnicah
74
rojstva Veliko podatkov dobimo v [1 5] in na svetovnem spletu
Gilles Personne de Roberval (1602ndash1675)
Pierre de Fermat (1607ndash1665)
Giovanni Alfonso Borelli (1608ndash1679)
Evangelista Torricelli (1608ndash1647)
John Pell (1610ndash1685)
Johann Hevel (1611ndash1687)
Frans van Schooten (1615ndash1660)
Carlo Renaldini (1615ndash1698)
John Wallis (1616ndash1703)
Henry Oldenburg (1618ndash1677)
Michelangelo Ricci (1619ndash1682)
William Brouncker (1620ndash1684)
Edmeacute Mariotte (1620ndash1684)
Jean Picard (1620ndash1682)
Vincenzo Viviani (1622ndash1703)
Reneacute-Franccedilois de Sluse (1622-1685)
Blaise Pascal (1623ndash1662)
Giovanni Domenico Cassini (1625ndash1712)
Robert Boyle (1627ndash1691)
Christiaan Huygens (1629ndash1695)
Isaac Barrow (1630ndash1677)
Ehrenfried Walther von Tschirnhaus (1631ndash1708)
Christopher Wren (1632ndash1723)
Johann Hudde (1633ndash1704)
Robert Hooke (1635ndash1703)
75
William Neile (1637ndash1670)
James Gregory (1638ndash1675)
Philippe de la Hire (1640ndash1719)
Isaac Newton (1643ndash1727)
Olaus Roslashmer (1644ndash1710)
Gottfried Wilhelm Leibniz (1646ndash1716)
Denis Papin (1647ndash1712)
Michel Rolle (1652ndash1719)
Pierre Varignon (1654ndash1722)
Jacob Bernoulli (1655ndash1705)
Edmund Halley (1656ndash1742)
Guillaume Franccedilois Antoine LrsquoHocircpital (1661ndash1704)
David Gregory (1661ndash1708)
Abraham de Moivre (1667ndash1754)
Johann Bernoulli (1667ndash1748)
Jacopo Francesco Riccati (1676ndash1754)
Giulio Carlo Fagnano (1682ndash1766)
Roger Cotes (1682ndash1716)
Reneacute Antoine Reacuteaumur (1683ndash1757)
Greacutegoire de Saint-Vincent (1584ndash1667)
Brook Taylor (1685ndash1731)
Gabriel Daniel Fahrenheit (1686ndash1736)
Colin Maclaurin (1698ndash1746)
Pierre Louis Moreau de Mapertuis (1698ndash1759)
76
Viri
[1] I Asimov Biografska enciklopedija znanosti in tehnike Tehniška za-
ložba Slovenije Ljubljana 1978
[2] J Bair V Henry Sluse ses perles et son algorithme Losanges 14
(2011) str 14ndash18 httphdlhandlenet2268100155 (videno 10
7 2021)
[3] G Kocijančič (urednik) Fragmenti predsokratikov Študentska za-
ložba Ljubljana 2012
[4] G Loria Spezielle algebraische und transscendente ebene Kurven
Teubner Leipzig 1902
[5] U C Merzbach C B Boyer A History of Mathematics John Wiley amp
Sons Hoboken New Jersey 2011
[6] J J OrsquoConnor E F Robertson Reneacute Franccedilois Walter de Sluze MacTu-
tor
httpsmathshistoryst-andrewsacukBiographiesSluze
(videno 10 7 2021)
[7] B von Pape Von Eudoxus zu Uhlhorn Books on Demand Norderstedt
2019
[8] M Razpet Pomnožitev hiperkocke Obzornik mat fiz 68 (2021) št 1
str 1-9
[9] M Razpet in N Razpet Prepogibanje papirja podvojitev kocke in
Slusova konhoida Obzornik mat fiz 67 (2020) št 2 str 41-51
77
[10] Y Renotte Reneacute de Sluze dialogues avec Christiaan Huygens
Bulletin de lrsquouniversiteacute du 3e acircge - Liegravege 23 (2021) 4 strani
httphdlhandlenet22682596400 (videno 10 7 2021)
[11] R F Slusius Mesolabum seu duaelig mediaelig proportionales inter ex-
tremas datas per circulum et ellipsim vel hyperbolam infinitis modis
exhibitaelig Leodii Eburonum Liegravege 1659
[12] R F Slusius Mesolabum seu duaelig mediaelig proportionales inter ex-
tremas datas per circulum et per infinitas hyperbolas vel ellipses et
per quamlibet exhibitaelig ac problematum omnium solidorum effectio
per easdem curvas Leodii Eburonum Liegravege 1668
[13] D Uhlhorn Entdeckungen in der houmlhern Geometrie theoretisch und
practisch abgehandelt Schulzersquosche Buchhandlung Oldenburg 1809
[14] I Vidav Algebra Mladinska knjiga Ljubljana 1972
Avtor se zahvaljuje prof dr Milanu Hladniku za strokovni pregled
copy(2021) Marko Razpet
78
Slika 8 Do srednjih geometrijskih sorazmernic s parabolo in krožnico
d =radica2 +b2 Parabola in krožnica se sekata v točkah O in A(
3radica2b
3radicab2)
(slika 8) kar potrdi preprost račun Opisano konstrukcijo je obvladal Reneacute
Descartes Menajhmos in Descartes sta pokazala da se z njunima kon-
strukcijama da rešiti problem podvojitve kocke Za b je treba v opisanih
postopkih vzeti 2a Pripomnimo še da je bila starogrška matematika
pretežno matematika razmerij in sorazmerij in tako je bilo še celo vrsto
stoletij Srednjo geometrijsko sorazmernico x daljic dolžin a in b tako
da velja a ∶ x = x ∶ b iz česar sledi x =radicab se da konstruirati z neoz-
načenim ravnilom in šestilom Spomnimo se na višinski izrek v pravokot-
nem trikotniku ki je pravzaprav posledica podobnosti dveh trikotnikov
na katera višina na hipotenuzo razdeli pravokotni trikotnik
Pri dveh srednjih geometrijskih sorazmernicah x in y pa se kot smo
videli pojavi kubični koren ki pa z omenjenima geometrijskima orodjema
ni konstruktibilen To so matematiki dokazali šele v 19 stoletju Do takrat
so problem skušali rešiti na druge načine in pri tem odkrili nove krivulje
tako da njihov trud le ni bil popolnoma zaman Geometrijski objekt bo za
18
nas rdquokonstruktibilenrdquo če se ga da konstruirati z neoznačenim ravnilom in
šestilom
Drugo de Slusovo delo
De Sluse še vedno velja za izjemno učenega človeka nadarjenega za mate-
matiko izumiteljstvo in posploševanje Njegovo ime je še danes povezano
z njegovimi konhoidami in perlami De Slusova konhoida (slika 9) ki ima
implicitno obliko
(xminus c)(x2 +y2)minus2cx2 = 0
je precej natančno obravnavana v članku [9]
Slika 9 Slusova konhoida
Reneacute de Sluse se ni ukvarjal le z matematiko ampak tudi z astronomijo
fiziko naravoslovjem in seveda teologijo Pogosto se je pritoževal nad
omejitvami ki so mu jih nalagale njegove verske in upravne funkcije
Ni veliko eksperimentiral ker za to ni imel posebnega veselja pa tudi
ne tehničnih možnosti Je pa predlagal drugim zlasti Huygensu da naj
naredijo tak ali drugačen eksperiment Z zanimanjem je bral prepovedane
19
knjige N Kopernika G Galileja in J Keplerja ter kritiziral prizadevanja za
obnovitev starih konceptov Pisal je že o ekscentričnosti v zvezi s Soncem
Zdi se da je za svoje izračune uporabljal oba sistema heliocentričnega
in geocentričnega Rad je opazoval zvezdnato nebo Tako v kemiji kot
drugje se je znašel na razpotju Prebral je modne knjige o alkimiji in
celo ponovil poskus sublimacije antimona v belo barvo vendar je bila nje-
gova razlaga odločno korpuskularna saj je uporabljal Boylove zamisli o
strukturi tekočega in trdnega stanja V podporo temu je izvajal poskuse
zamrzovanja različnih raztopin in študiral sestavo lojevca V medicinski
kemiji se je zanimal za zdravilne vode in jih tudi analiziral
V fiziki sta ga je posebej zanimala merjenje temperature in praktična
termometrija Če ne upoštevamo odkritij E Torricellija in B Pascala o
vplivu atmosferskega tlaka na zračni termometer je de Sluse leta 1664
izumil svoj termometer z voščeno kroglico pomešano s peskom ki se je
gibala v stekleni cevi zaprti na dnu napolnjeni s slano vodo tako da je
bila kroglica bolj ali manj potopljena v sredini cevi kar je opisal v pismih
Huygensu Kroglica je označevala vsako spremembo v zraku iz toplejšega
na hladnejše ko se je spuščala ali dvigala Huygens je odgovoril da je
njegov termometer prepočasen vendar je zanesljivejši od drugih istovrst-
nih termometrov ker je manj podvržen vplivu atmosferskega tlaka Žal
ni poznal florentinskega termometra ko je svojim dopisnikom vključno s
Huygensom in Oldenburgom povedal o svojem izumu Florentinski ter-
mometri so pomenili odločilen korak naprej pri merjenju temperature
Bili so prvi ki so omogočali natančne meritve Pred iznajdbo v Firencah
okoli leta 1650 so bili stari modeli zelo približni določali so ali je pred
nami nekaj hladnega ali vročega ne da bi lahko odčitali ali ocenili tem-
peraturo Razlika je v tem da je steklena cev zaprta tako da je vpliv tlaka
20
odpravljen Uporabljali so se predvsem petdesetstopinjski termometri
Taki termometri so večinoma služili za določanje nihanja temperature zra-
ka v zaprtih prostorih in na prostem Oblikovanje termometra je takrat
pomenilo tudi določitev njegove merilne lestvice vendar še brez Celzijevih
ali Fahrenheitovih stopinj Pri tem so bile stopinje enakomerno razpore-
jene med dvema skrajnostma in sicer med nivojem najhladnejše tekočine
pozimi (nizka točka) in nivojem najbolj vroče tekočine poleti (visoka točka)
Zaradi teh zelo relativnih vrednosti je primerjava meritev med dvema ter-
mometroma nezanesljiva Ob upoštevanju pripomb jo je večkrat spreme-
nil in jo ponovno predložil Oldenburgu do leta 1669 ko je R Boyle izrazil
negativno mnenje glede topnosti voska kroglic v slani tekočini Po tem da-
tumu termometer ni bil nikoli več omenjen De Sluse je zboljšal različne
instrumente ure številčnice barometre Ker ga je motilo prerekanje med
raziskovalci glede avtorstva odkritij je po Oldenburgovi smrti leta 1677
končal svojo znanstveno dejavnost
Šele v 18 stoletju so razvijali temperaturne merilne lestvice C Re-
naldini (1694) O C Roslashmer (1702) G Fahrenheit (1717) Reneacute-Antoine
F de Reacuteaumur (1730) in A Celsius (1741) Enota kelvin (K ndash v čast lordu
Kelvinu 1824-1907) osnovna enota mednarodnega sistema enot za tem-
peraturo je bila uvedena šele leta 1954
De Sluse je bil tudi zgodovinar Napisal je knjigo o smrti sv Lam-
berta škofa v Tongresu ki je bil ubit na kraju kamor je sv Hubert njegov
naslednik prenesel sedež svoje škofije Kraj se je kasneje razvil v Liegravege
Druga zgodovinska študija se nanaša na slavnega maastrichtskega škofa
sv Servacija Med de Slusovimi neobjavljenimi rokopisi je tudi zgodovina
Koumllna Pripomnimo še da je sv Hubert zavetnik lovcev matematikov
optikov in kovinarjev
21
O širini de Sluzovih interesov priča raznolikost tem ki so zajete na
več sto straneh njegovega dela neobjavljenih rokopisov ki jih zdaj hrani
Narodna knjižnica Bibliotheque Nationale v Parizu Čeprav se je ukvarjal
predvsem z matematiko njegovi rokopisi obravnavajo tudi astronomijo
fiziko in naravoslovje
De Slusove perle
Po de Slusu so po zaslugi B Pascala (več o tem v [4]) imenovane tudi
krivulje rdquode Slusove perlerdquo to so krivulje ki se v pravokotnem kartezi-
čnem koordinatnem sistemu Oxy izražajo z enačbo
ym = kxn(aminusx)p (2)
Pri tem so eksponenti mn in p naravna števila a in k pa pozitivni kon-
stanti Glede na parnost eksponentovmn in p formalno razlikujemo osem
možnosti od katerih imamo opravka s perlami le v primeru ko je m sodo
število s pravimi perlami pa v primeru ko je m sodo število n in p pa lihi
števili (slika 10) Skupno tem krivuljam so simetričnost glede na os x in
presečišča s to osjo pri x = 0 in x = a De Sluse je po svoje brez uporabe
odvoda izračunal da njegove perle dosegajo lokalne ekstreme največji
odstop od osi x med 0 in a za x = na(n+p)
V teh primerih je ploščina S lika ki ga ograjuje zanka perle enaka
S = 2k1mint
a
0xnm(aminusx)pmdx = 2k1ma(m+n+p)mint
1
0tnm(1minus t)pmdt
Integracijsko spremenljivko x smo zamenjali z novo spremenljivko t prek
relacije x = at da smo dobili obliko ki jo lahko izrazimo z Eulerjevima
22
Slika 10 Primeri de Slusovih perl
funkcijama B in Γ
S = 2k1ma(m+n+p)mB(nm+1pm+1) =
= 2k1ma(m+n+p)mΓ(nm+1)Γ(pm+1)
Γ((n+p)m+2)=
= 2k1ma(m+n+p)mnp
(m+n+p)(n+p)
Γ(nm)Γ(pm)
Γ((n+p)m)
Pri rotaciji okoli osi x ta lik v prostoru opiše telo s prostornino
V =πk2mint
a
0x2nm(aminusx)2pmdx =πk2ma(m+2n+2p)m
int
1
0t2nm(1minust)2pmdt
23
Slika 11 Zasuk de Slusove perle za m = 2n = 3p = 1k = 001 okoli osi x
Integracijsko spremenljivko x smo tudi to pot zamenjali z novo spremenljivko
t prek relacije x = at da smo dobili obliko ki jo lahko izrazimo z Eulerje-
vima funkcijama B in Γ
V =πk2ma(m+2n+2p)mB(2nm+12pm+1) =
=πk2ma(m+2n+2p)mΓ(2nm+1)Γ(2pm+1)Γ((2n+2p)m+2)
=
= 2πk2ma(m+2n+2p)m np
(m+2n+2p)(n+p)Γ(2nm)Γ(2pm)
Γ((2n+2p)m)
Poseben primer de Slusove perle
Natančneje bomo obravnavali de Slusovo perlo samo primer za m = n = 2
p = 1 in k = 1a to se pravi krivuljo K ki ima implicitno enačbo ay2 =
x2(a minus x) To pa zato ker se posamezne točke te krivulje da preprosto
konstruirati z osnovnim geometrijskim orodjem
24
Geometrijska konstrukcija in analitična obravnava
Do posameznih točk T krivulje K pridemo s preprosto geometrijsko kon-
strukcijo (slika 12) V pravokotnem kartezičnem koordinatnem sistemu
Oxy načrtamo premico x = a kjer je a pozitivna konstanta Skozi koordi-
natno izhodišče O potegnemo premico p ki ima enačbo y = tx in preseka
premico x = a v točki A(ata) Parameter t smerni koeficient premice p s
katerim je sorazmerna ordinata točkeA bomo kasneje spreminjali V točki
A na p postavimo pravokotnico q ki seka os x v točki B V B načrtamo na
q pravokotnico r ki seka premico x = a v točki C nazadnje pa skozi C še
pravokotnico s na r Presečišče premic p in s naj bo točka T (xy) Sedaj
bomo izrazili njeni koordinati x in y s parametrom t
Slika 12 Konstrukcija točke T de Slusove perle K
Premica q ima enačbo y = minus(x minus a)t + at in preseka os x v točki B(a +
at20) Premica r ima enačbo y = t(x minus aminus at2) in preseka premico x = a v
točki C(aminusat3) premica s pa enačbo y = minus(xminus a)t minus at3 Koordinati točke
T sta rešitvi sistema enačb
y = tx y = minusxminusat
minusat3
25
Po krajšem računu dobimo
x(t) = a(1minus t2) y(t) = at(1minus t2) (3)
To sta parametrični enačbi krivulje K Ko spreminjamo t po vseh realnih
vrednostih oziroma ko A drsi po premici x = a točka T (xy) opiše krivuljo
K (slika 13) z zanko ki spominja na perlo
Če si mislimo da je parameter t čas enačbi (3) predstavljata sestav-
ljeno gibanje točkaste mase v dveh med seboj pravokotnih smereh v koor-
dinatni ravnini v smeri osi x po pravilu prve enačbe v smeri osi y pa po
pravilu druge enačbe Tirnica takega gibanja je krivulja K Podoben le da
bolj preprost primer imamo tudi pri gibanju točkaste mase pri poševnem
metu
Slika 13 De Slusova perla K
Ko se t spreminja od zelo velikih negativnih vrednosti potuje T po
loku v drugem kvadrantu navzdol in doseže za t = minus1 prvič točko O Za
minus1 le t le 0 opiše lok v četrtem kvadrantu odO do temenaD(a0) za 0 le t le 1
opiše lok v prvem kvadrantu od D do točke O ki jo doseže drugič za t = 1
za t gt 1 pa se spusti po loku v tretjem kvadrantu navzdol
26
Če upoštevamo (3) dobimo
x2(t)(aminusx(t)) = a2(1minus t2)2 sdotat2 = a(at(1minus t2))2 = ay2(t)
To pomeni da je ay2 = x2(aminusx) implicitna enačba krivulje K in da je K al-
gebrska krivulja tretje stopnje Krivulja K je simetrična glede na os x Za
točke ki so zelo blizu koordinatnemu izhodiščuO je člen x3 zanemarljivo
majhen v primerjavi s kvadratnima členoma zato je tam enačba krivulje
K približno ay2 = ax2 oziroma (y minusx)(y +x) = 0 Ta enačba razpade na dve
y = x in y = minusx V točki O ima krivulja tangenti y = x in y = minusx ki se sekata
pravokotno V točki D je tangenta na krivuljo premica x = a Krivulja ima
na zanki dve glede na os x simetrično ležeči lokalno ekstremni točki v ka-
terih je tangenta vzporedna z osjo x To sta točki Mplusmn(2a3plusmn2aradic
39) De
Sluse jih je na svojevrsten način pravilno izračunal čeprav je bilo v nje-
govem času računanje z odvodi še v zametkih Da bi pravilnost ekstrem-
nih točk preverili brez odvoda uporabimo kvadrat ekstremne ordinate ki
je y2M = 4a227 in zapišimo izraz
ay2M minusx2(aminusx) = 4a327minusax2 +x3 = (xminus2a3)2(x+a3)
ki je za 0 lt x lt a nenegativen in enak 0 za x = 2a3 To pomeni da je
tedaj x2(a minus x) le 4a327 in največja ordinata na zanki krivulje je 2aradic
39
najmanjša pa minus2aradic
39 oboje pri x = 2a3 (slika 14)
Z uporabo odvoda gre vse veliko hitreje Ordinata y doseže ekstrem
takrat kot ay2 Zato je vseeno če poiščemo ekstrem enostavnejše funkcije
g(x) = x2(a minus x) = ax2 minus x3 Potreben pogoj za to je g prime(x) = 2ax minus 3x2 = 0
Dobimo stacionarni točki x1 = 0 in x2 = 2a3 Uporabimo še g primeprime(x) = 2aminus6x
Ker je g primeprime(x1) = 2a gt 0 in g primeprime(x2) = minus2a lt 0 ima funkcija g v točki x1 lokalni
minimum ki je enak 0 v točki x2 pa lokalni maksimum ki je enak 4a327
27
Slika 14 Lokalna ekstrema na de Slusovi perli K
Ekstremna točka na zanki kjer je tangenta vzporedna z osjo x je očitno
le v x2 kvadrat ekstremne ordinate je tedaj g(x2)a = 4a227 = 12a281
Ekstremni ordinati sta torej plusmn2aradic
39 pri abscisi 2a3
Abscise 2a3 ni težko geometrijsko konstruirati prav tako tudi ne or-
dinate 2aradic
39 ki je 29 razdalje ∣PminusP+∣ = aradic
3 kjer sta Pminus in P+ presečišči
krožnih lokov s središčema v točkahO inD in polmerom ∣OD ∣ To pomeni
da sta točki Pminus in P+ konstruktibilni
Če bi načrtali celotna krajša krožna loka med Pminus in P+ bi dobili med
njima lečast lik ki so mu nekoč rekli rdquovesica piscisrdquo kar dobesedno pomeni
rdquoribji mehurrdquo Lik je bil zelo znan v srednjeveški sakralni umetnosti
Čeprav v de Slusovem času še niso poznali odvoda funkcije v današn-
jem smislu so že vedeli zahvaljujoč Fermatu da ima funkcija v točki
lokalnega ekstrema vodoravno tangento
28
Spremljajoča parabola
Nastajanje krivulje K spremljajo še nekatere druge bolj ali manj znane
krivulje Najprej si oglejmo kaj dobimo če točko O pravokotno projici-
ramo na premice r in spreminjamo parameter t Dobljena projekcija naj
bo R (slika 15)
V prispevku se pogosto sklicujemo na povezavo med smernima koe-
ficientoma premice in pravokotnice nanjo Koeficienta sta si inverzna in
nasprotna Zato zlahka napišemo enačbo premice r in pravokotnice skozi
O nanjo
y = t(xminusaminusat2) y = minusxt
Njuno presečišče R ima koordinati
x(t) = at2 y(t) = minusat
Z izločitvijo parametra t dobimo y2 = ax kar pomeni da točke R pri spre-
minjanju točkeA po premici x = a opišejo parabolo rdquospremljajočo parabolordquo
ki ima gorišče v točki F(a40) in vodnico v z enačbo x = minusa4
Slika 15 De Slusova perla K in spremljajoča parabola
29
Ogrinjače
Ko drsi točka A po premici x = a premice s ogrinjajo neko krivuljo Ks
Premice s so v točki T krivulje K pravokotne na premice skozi O in T
Njeno enačbo dobimo po standardnem postopku Enačba premic s je
F(xyt) = y +xminusat
+at3 = 0
To je enoparametrična družina premic ki ogrinjajo krivuljo Ks imeno-
vano rdquoogrinjačardquo te družine (slika 16) V vsaki točki ogrinjače se jo dotika
ena premica v različnih točkah različne premice družine Enačbo njihove
ogrinjače v implicitni obliki dobimo tako da iz sistema enačb
Slika 16 De Slusova perla K in ogrinjače Ks Kq Kr
F(xyt) = 0partFpartt
(xyt) = 0
izločimo parameter t Iz enačbe
partFpartt
(xyt) = minus(xminusa)t2 +3at2 = 0
30
dobimo najprej xminusa = 3at4 kar vstavimo v prvo enačbo v sistemu in imamo
y = minus4at3 Dobili smo ogrinjačo v parametrični obliki
x(t) = a(1+3t4) y(t) = minus4at3
Izločimo t in enačba iskane ogrinjače Ks v implicitni obliki je pred nami
27y4 = 256a(xminusa)3
Ker je y dobljene krivulje sorazmeren s potenco (x minus a)34 lahko rečemo
da je ogrinjača premic s četrtkubična parabola
Podobno poiščemo ogrinjačo Kq premic q
F(xyt) = yt +xminusaminusat2 = 0partFpartt
(xyt) = y minus2at = 0
Ogrinjača v parametrični obliki je to pot
x(t) = a(1minus t2) y(t) = 2at
Z izločitvijo parametra t dobimo njeno enačbo v implicitni obliki
y2 = minus4a(xminusa)
Dobljena krivulja Kq je parabola z vodnico x = 2a in goriščem v točki O
(slika 16)
Nazadnje po enakem postopku kot doslej poiščemo še ogrinjačo Kr
premic r
F(xyt) = y minus tx+at +at3 = 0partFpartt
(xyt) = minusx+a+3at2 = 0
Ogrinjača v parametrični obliki je potem
x(t) = a(1+3t2) y(t) = 2at3
31
Z izločitvijo parametra t dobimo njeno enačbo še v implicitni obliki
27ay2 = 4(xminusa)3
Dobljena krivulja Kr je polkubična ali Neilova parabola z ostjo v točki
D(a0) kjer ima vodoravno tangento (slika 16) Krivuljo Ks smo up-
ravičeno imenovali četrtkubična parabola Slednja ima v točki D(a0)
navpično tangento
Edinole premice p od tistih ki sodelujejo v konstrukciji točk krivulje
K nimajo ogrinjače Vse premice p namreč potekajo skozi koordinatno
izhodišče O in očitno ne ogrinjajo nobene krivulje
Nožiščne krivulje
Novo krivuljoHprime dobimo če na tangente dane krivuljeH pravokotno pro-
jiciramo izbrano točko Φ Vse projekcije P nožišča točke Φ na tangentah
krivuljeH sestavljajo krivuljoHprime ki jo imenujemo rdquonožiščnardquo ali rdquopedalna
krivuljardquo krivulje H glede na točko Φ
Beseda rdquopedalenrdquo izhaja iz latinske rdquopedalisrdquo kar pomeni rdquonoženrdquo Os-
novna beseda je rdquopesrdquo v rodilniku ednine rdquopedisrdquo kar pomeni rdquonogardquo Od
tod izvirajo tudi besede rdquopedalordquo rdquopedalarrdquo in rdquopedalinrdquo
Poiščimo nekaj nožiščnih krivulj glede na koordinatno izhodišče O
Najprej za krivuljo K ki je poseben primer de Slusove perle Za odvod
v točki T isinK ki ustreza parametru t dobimo
dy
dx(x) =
y
x(t) =
3t2 minus12t
Enačbi tangente v T in pravokotnice skozi O nanjo pa se glasita
y minusat(1minus t2) =3t2 minus1
2t(xminusa(1minus t2)) y =
2t1minus3t2
x
32
Sekata se v točki P s koordinatama
x(t) =a(t2 minus1)2(1minus3t2)
9t4 minus2t2 +1 y(t) =
2at(t2 minus1)2
9t4 minus2t2 +1 (4)
S tem smo našli parametrični enačbi krivulje Kprime (slika 17) Do implicitne
enačbe je dolga pot prek rezultante dveh polinomov spremenljivke t od
katerih je prvi druge drugi pa pete stopnje Najprej opazimo da je v (4)
yx = 2t(1minus 3t2) kar lahko zapišemo kot p(t) = 3yt2 + 2xt minus y = 0 drugo
enačbo pa zapišemo v obliki q(t) = 2at5 minus 9yt4 minus 4at3 + 2yt2 + 2at minus y = 0
Zaradi enostavnosti smo pisali x in y brez argumenta t Da izločimo pa-
rameter t je treba zapisati rdquorezultantordquo R(p(t)q(t)) polinomov p(t) in
q(t) in jo izenačiti z 0 (glej [14])
R(p(t)q(t)) =
RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR
2a minus9y minus4a 2y 2a minusy 0
0 2a minus9y minus4a 2y 2a minusy
3y 2x minusy 0 0 0 0
0 3y 2x minusy 0 0 0
0 0 3y 2x minusy 0 0
0 0 0 3y 2x minusy 0
0 0 0 0 3y 2x minusy
RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR
= 0
Zadnji stolpec je deljiv z y Ker y = 0 ni del iskane nožiščne krivulje pre-
ostane ko izračunamo determinanto in jo okrajšamo z y in preuredimo
27y2(x2 +y2)2 +4ax(x2 minus9y2)(x2 +y2)minus4a2(x2 minusy2)2 = 0
Rezultat je torej algebrska krivulja šeste stopnje Krivulja je simetrična
glede na abscisno os točka O pa je njena posebna točka Za zelo majhne
x in y prevlada zadnji člen kar pomeni da sta premici y = x in y = minusx v O
tangenti na krivuljo
33
Slika 17 Nožiščna krivulja Kprime krivulje K glede na koordinatno izhodišče
Zanka krivulje Kprime nekoliko spominja na srčnico ali kardioido ki jo
opisujejo točke krožnice ki se brez drsenja kotali po enako veliki krožnici
Krivulja Kprime ima še neomejeni del ki se razteza po drugem in tretjem kvad-
rantu Poglejmo kako potuje točka po krivulji v parametrizaciji (4) ko
parameter t teče po številski premici Za t lt minus1 poteka krivulja po tretjem
kvadrantu pri čemer x(t)rarr minusinfin in y(t)rarr minusinfin ko t rarr minusinfin Pri t = minus1 točka
doseže O v obliki osti ki ima za tangento premico y = x Za minus1 lt t lt 0
potuje točka po četrtem kvadrantu doseže točko D pri t = 0 za 0 lt t lt 1
potuje naprej po prvem kvadrantu in pri t = 1 spet doseže O kjer ima
ost s tangento y = minusx nato nadaljuje pot po drugem kvadrantu pri čemer
x(t)rarr minusinfin in y(t)rarrinfin ko trarrinfin
Nožiščna krivulja malo prej obravnavane krivulje Ks glede na točko O
ni nič drugega kot krivulja K Premice s so namreč tangente na Ks nožišča
točke O na njej pa so točke krivulje K Lahko pa to preverimo z računom
34
tako kot smo poiskali nožiščno krivuljo Kprime za K glede na točko O
Za odvod v poljubni točki na Ks ki ustreza parametru t dobimo
dy
dx(x) =
y
x(t) = minus
1t
Enačbi tangente v tej točki in pravokotnice skozi O nanjo pa se glasita
y +4at3 = minus1t(xminusa(1+3t4)) y = tx
Sekata se v točki s koordinatama
x(t) = a(1minus t2) y(t) = at(1minus t2)
To sta ravno parametrični enačbi krivulje K tako da velja Kprimes =K
Podobno ugotovimo tudi da je premica x = a nožiščna krivulja za para-
bolo Kq Premica x = a je tangenta te parabole v temenu V splošnem je
temenska tangenta parabole kar njena nožiščna krivulja glede na gorišče
Ugotovili smo torej da je nožiščna krivulja krivulje Kr spremljajoča para-
bola krivulje K
Ekstremne točke nožiščne krivulje Kprime
Ekstremne točke na zanki krivulje Kprime dobimo iz odvodov
x(t) =2at(1minus t2)(3t2 +1)(9t4 +2t2 minus3)
(9t4 minus2t2 +1)2
y(t) =2a(t2 minus1)(3t2 +1)(3t4 +6t2 minus1)
(9t4 minus2t2 +1)2
Za t = 0 doseže v točki D(a0) abscisa svojo največjo vrednost Za t = plusmn1
poteka krivulja skozi točko O kjer sama sebe preseka pod pravim kotom
ker je yprime(0) = (yx)(plusmn1) = ∓1
35
Najmanjšo absciso na zanki ima krivulja Kprime v točki ki jo določa para-
meter t za katerega velja pogoj 9t4 +2t2 minus3 = 0 To je bikvadratna enačba
katere realni rešitvi sta tplusmn = plusmnradic
2radic
7minus13 ustrezni točki na krivulji pa
izračunamo z enačbama (4) in dobimo
Xplusmn(a(17minus7radic
7)27plusmnaradic
74radic
7minus17227)
Ekstremni ordinati na zanki ima krivulja takrat za tisto vrednost para-
metra t za katerega velja pogoj 3t4 + 6t2 minus 1 = 0 Realni rešitvi te bi-
kvadratne enačbe sta tplusmn = plusmn(3radic
2minusradic
6) 4radic
36 ustrezni točki na krivulji pa
Yplusmn(a(3minusradic
3)3plusmna 4radic123)
Ker v koordinatah ekstremnih točk nastopajo poleg osnovnih aritmetičnih
operacij le kvadratni in bikvadratni (četrti) koreni so te točke konstruk-
tibilne
Cisoida
Spoznali smo enega od načinov pridobivanja novih ravninskih krivulj iz
danih to je z nožišči izbrane točke na tangentah dane krivulje Krivulji
s tem priredimo nožiščno krivuljo glede na izbrano točko Drug tak pre-
prost način kako iz znanih krivulj dobimo nove je cisoidni način Kako
pa ta poteka
Denimo da sta znani krivulji K1 in K2 ter točka O ki ležijo v isti
ravnini Pri tem sta K1 in K2 taki krivulji da vsaka premica p skozi O
ki seka K1 v neki točki T1 seka tudi K2 recimo v točki T2 (slika 18) Za
vsak T1 označimo na p točko T tako da veljaETHOT =
ETHETHT1T2 Ko T1 potuje po
K1 T opiše krivuljo C ki jo imenujemo cisoida krivulj K1 in K2 glede na
točko O Definicije take cisoide se nekoliko razlikujejo od vira do vira
36
Slika 18 Krivulja C je cisoida krivulj K1 in K2 glede na točko O
Dioklova cisoida s katero rešimo problem podvojitve kocke je cisoida
krožnice x2 + y2 = ax in premice x = a glede na koordinatno izhodišče O
Več o cisoidah in njihovi uporabi je napisanega na primer v [8]
Krivulja K je povezana tudi s polkubično ali semikubno ali Neilovo
parabolo poimenovano po Williamu Neilu (1637ndash1680) Parametrični
enačbi (3) lahko zapišemo v vektorski obliki v standardni bazi kot razliko
kolinearnih vektorjev
r(t) = (x(t)y(t)) =ETHOT = (a(1minus t2)at(1minus t2)) = (aat)minus (at2at3)
Vektor r1(t) = (aat) = (a0)+at(01) je enačba premice x = a v parametrični
obliki vektor r2(t) = (at2at3) pa polkubične parabole ki ima enačbo ay2 =
x3 in ost v točkiO Parameter t geometrijsko pomeni tangens naklonskega
kota premice OA (slika 13)
Premica y = tx poteka skozi koordinatno izhodišče O in seka premico
x = a v točkiA(aat) zato jeETHOA = r1 Ista premica seka polkubično parabolo
P ki ima enačbo ay2 = x3 v točki P (at2at3) tako da jeETHOP = r2 S tem je
ETHPA =
ETHOAminus
ETHOP = r1minus r2 = r To pomeni da je r =
ETHOT =
ETHOAminus
ETHOP Potemtakem
je krivulja K cisoida polkubične parabole P z enačbo ay2 = x3 in premice
37
Slika 19 De Slusova perla K kot cisoidna krivulja
x = a glede na točko O (slika 19)
Neilova parabola in ločna dolžina
Neilova ali polkubična parabola ay2 = x3 je bila v zgodovini matematike
pomembna kot ena prvih krivulj za katero so znali izračunati ločno dolžino
Prav prvi je to znal John Wallis (1616ndash1703) leta 1657
Denimo da nas zanima ločna dolžina `(b) te krivulje nad intervalom
[0b] (slika 20) Znano je da lahko uporabimo formulo za ločno dolžino
krivulje ki je dana v eksplicitni obliki
`(b) = intb
0
radic
1+yprime2dx
Pri tem je y = f (x) enačba krivulje in yprime = f prime(x) V našem primeru je y =
38
Slika 20 Neilova ali polkubična parabola
f (x) = plusmnradicx3a Kratek račun nam da yprime2 = 9x(4a) in
`(b) = intb
0
radic
1+9x4adx
Z uvedbo nove integracijske spremenljivke u z relacijo u2 = 1 + 9x(4a)
dobimo
`(b) =8a9 int
c
1u2du =
8a27
(c3 minus1)
pri čemer je c =radic
1+9b(4a)
Leibnizeva izohrona je krivulja po kateri se je leta 1687 vprašal G W
Leibniz Poiskati je treba v navpični ravnini krivuljo po kateri se brez
trenja giblje točkasta masa ki je podvržena konstantnemu težnostnemu
polju tako da je navpična komponenta njene hitrosti ves čas konstantna
Nalogo je prvi rešil C Huygens nizozemski astronom fizik in matema-
tik znan tudi po odkritju Saturnovega satelita Titana in znamenitih Sat-
urnovih obročev ter po izdelavi prve ure na nihalo kar je bilo za tiste čase
velik napredek v merjenju točnega časa
39
Slika 21 Leibnizeva izohrona
Izhodišče O postavimo v najvišjo točko krivulje (slika 21) V tej točki
je horizontalna hitrost premikajoče se mase m enaka 0 Naj bo v0 njegova
navpična hitrost navzdol Os y je vodoravna os x pa usmerjena navz-
dol Potencialno energijo mase računamo nad izbranim nivojem spodaj V
skladu z načelom ohranitve mehanske energije v času t in času 0 potem
velja12mv2(t)+mg(hminusx(t)) =
12mv2
0 +mgh
Pri tem je g težni pospešek Po poenostavitvi dobimo v2(t) = 2gx(t)+ v20
Vektor hitrosti ima v vsakem trenutku med seboj pravokotni komponenti
v(t) = (x(t) y(t)) za t = 0 pa v(0) = (v00) Upoštevamo da je ∣v(t)∣2 =
v2(t) = x2(t) + y2(t) in da je x(t) = v0 pa imamo sistem diferencialnih
enačb
x(t) = v0 y(t) =radic
2gx(t)
ki ga rešimo pri začetnih pogojih x(0) = y(0) = 0 in dobimo
x(t) = v0t y(t) =23
radic2gv0t3
40
Koordinati točk na dobljeni krivulji zadoščajo enačbi
ay2 = x3 a =9v2
0
8g
Pri dani konstanti a je v0 = (23)radic
2ag Iskana krivulja je torej Neilova
parabola Ime izohrona je dobila zato ker točkasta masa po vertikali
v enakih časih prepotuje enake razdalje V grščini beseda ἴσος pomeni
rdquoenakrdquo χρόνος pa rdquočasrdquo
Dolžina ` zanke krivulje K nas pripelje do zapletenega eliptičnega in-
tegrala za katerega zapišimo približno vrednost
` = 2aint1
0
radic9t4 minus2t2 +1dt ≐ 271559186a
Pač pa je dolžina loka ` četrtkubične parabole Ks ogrinjače premic s bolj
prijazna Za dolžino loka od točke D ki ustreza parametru t = 0 do točke
ki ustreza parametru t = α dobimo
` = 12aintα
0t2
radic1+ t2dt =
3a2
(α(1+2α2)radic
1+α2 minus ln(α +radic
1+α2))
Prav tako dolžina loka ` navadne parabole Kq ogrinjače premic q ne
dela težav Za dolžino loka od točke D ki ustreza parametru t = 0 do
točke ki ustreza parametru t = α dobimo
` = 2aintα
0
radic1+ t2dt = a(α
radic1+α2 + ln(α +
radic1+α2))
Za spremljajočo parabolo dobimo prav tako enostaven rezultat za ločno
dolžino od točke O do točke ki ustreza parametru t = α
` = intα
0
radic1+4t2dt =
a4(2α
radic1+4α2 + ln(2α +
radic1+4α2))
Nazadnje zapišimo še ločno dolžino polkubične parabole Kr
` = 6aintα
0tradic
1+ t2dt = 2a((1+α2)radic
1+α2 minus1)
41
Pri vseh zgornjih primerih je parameter t strmina premice p v prvotni
konstrukciji krivulje K
Ploščine in prostornine
Ploščina S lika ki ga omejuje zanka krivulje K je
S =2radica int
a
0xradicaminusxdx
Z uvedbo nove integracijske spremenljivke t z relacijo aminusx = t2 je
S =4radica int
radica
0t2(aminus t2)dt =
4radica int
radica
0(at2 minus t4)dt =
8a2
15
Lahko pa jo izrazimo tudi s splošno formulo ki smo jo izpeljali na začetku
razdelka S to formulo lahko izrazimo še prostornino V telesa ki ga pri
rotaciji okoli osi x opiše lik
V =πa int
a
0x2(aminusx)dx =
πa3
12
To je ravno polovica prostornine krogle s premerom a
Pač pa je izraz za ploščino S prime lika ki ga omejuje zanka krivulje Kprime bolj
zapleten izraz Uporabimo parametrični enačbi (4) in dobimo
S prime = int1
0(x(t)y(t)minus x(t)y(t))dt = 2a2
int
1
0
(1minus t2)3(1+2t2 minus3t4)(9t4 minus2t2 +1)2 dt
Če se zanesemo na računalniško računanje določenih integralov potem je
S prime =2a2
729(3(43πminus28)+52
radic2ln(1+
radic2))
kar je približno S prime ≐ 1059206796a2 Do enakega rezultata pridemo z
navidez enostavnejšo formulo
S prime = 2inta
0y(x)dx
42
toda drugim težjim integralom
S prime = 2int0
1y(t)x(t)dt = minus8a2
int
1
0
t2(1minus t2)3(3t2 +1)(9t4 +2t2 minus3)(9t4 minus2t2 +1)3 dt
Zakaj smo integrirali po parametru t od 1 do 0 Zato ker abscisa x narašča
od 0 do a ko t pada od 1 do 0 Ordinata y pa je pri tem nenegativna (glej
izraza (4))
Tudi izraz za prostornino V prime telesa ki ga pri rotaciji okoli osi x opiše
lik omejen s Kprime je navidez enostaven
V prime =πinta
0y2(x)dx
toda s parametrom t je zapleten a eksaktno izračunljiv
V prime =πint0
1y2(t)x(t)dt = 8πint
1
0
t3(t2 minus1)5(3t2 +1))(9t4 +2t2 minus3)(9t4 minus2t2 +1)4 dt
Za rezultat dobimo
V prime =2πa3
19683(431π
radic2+369+744ln2)
kar je približno V prime ≐ 08936800975a3
Naj bo s tem računanja integralov dovolj V nadaljevanju se bomo
posvetili nekaterim lažjim problemom
Tangenta
Pri krivuljah v koordinatnem sistemu Oxy so pomembni štirje dotikalni
elementi za posamezne točke T odsek na tangenti ∣TA∣ odsek na normali
∣T B∣ subtangenta ∣AT prime∣ in subnormala ∣BT prime∣ (slika 23) Izražajo se takole
∣TA∣ = ∣y
yprime
radic
1+yprime2∣ ∣T B∣ = ∣yradic
1+yprime2∣ ∣T primeA∣ = ∣y
yprime∣ ∣T primeB∣ = ∣yyprime∣
43
Slika 22 Ploščini likov omejenih z zankama krivulj K in Kprime
Pri tem pomeni yprime = f prime(x) če je enačba krivulje y = f (x) Točka T prime je pra-
vokotna projekcija točke T na abscisno os A je presečišče tangente na
krivuljo v točki T z osjo x B pa presečišče normale z osjo x Dotikalni
elementi so posebej definirani tudi za krivulje v polarnih koordinatah
Slika 23 Dotikalni elementi krivulje
De Sluse je za algebrsko krivuljo f (xy) = 0 po svoje našel izraz za sub-
tangento ts to je pravokotno projekcijo odseka na tangenti
44
na os x V današnji pisavi se subtangenta izraža v obliki
ts = minusy
partfparty (xy)
partfpartx (xy)
Za krivuljo K je f (xy) = ay2 minusx2(aminusx) = 0 in
ts =2x(xminusa)3xminus2a
Lotimo se še konstrukcije tangente t in normale n naK v točki T0(x0y0) ne
O ki enolično določa točko A(aay0x0) kot presečišče premice p skozi O
in T0 s premico x = a Skozi A povlecimo vzporednico nprime z normalo n na K
v točki T0 Normala ima smerni koeficient kn = tsy0 oziroma
kn =
partfparty (x0y0)
partfpartx (x0y0)
=2ay0
x0(3x0 minus2a)
Premica nprime ima enačbo
y minusay0
x0=
2ay0
x0(3x0 minus2a)(xminusx0)
in preseka abscisno os v točki T1(x10) za katero po krajšem računu do-
bimo x1 = 2a minus 3x02 Točko T1 in premico nprime zlahka geometrijsko kon-
struiramo Iskana tangenta t v točki T0 je pravokotna na nprime normala n pa
vzporedna z nprime (slika 24)
Inverzija krivulje K na krožnici
Po navadi za ravninske krivulje pogledamo še njihove inverzne slike na
krožnici Inverzija ali zrcaljenje na krožnici x2 + y2 = r2 je ravninska pres-
likava ι definirana s predpisom
ι ∶ (xy)↦ (r2x
x2 +y2 r2y
x2 +y2)
45
Slika 24 Tangenta in normala na krivuljo K
S spreminjanjem polmera r krožnice dobimo med seboj podobne krivulje
Če zrcalimo na krožnici x2 + y2 = a2 krivuljo K ki ima implicitno enačbo
(2) dobimo krivuljo Klowast ki ima enačbo
y4 = minusx3(aminusx)
ki je formalno oblike (2) zam = 4n = 3p = 1 in k = minus1 Dobljena krivuljaKlowast
je simetrična glede na os x ima dve veji abscisa na njej doseže ekstremni
vrednosti v točkah O(00) in D(a0) Ima pa kot bomo videli tudi dve
asimptoti y = xminusa4 in y = minusx+a4 (slika 25)
Krivuljo Klowast se da lepo parametrizirati s parametrom τ če v njeno
enačbo y4 = minusx3(aminusx) vstavimo y = τx Dobimo
x(τ) =a
1minusτ4 y(τ) =aτ
1minusτ4
To sta parametrični enačbi krivulje Klowast
Ko τ uarr minus1 x(τ)rarr minusinfin in y(τ)rarr +infin ko τ darr minus1 x(τ)rarr +infin in y(τ)rarr minusinfin
ko τ uarr +1 x(τ)rarr +infin in y(τ)rarr +infin ko τ darr +1 x(τ)rarr minusinfin in y(τ)rarr minusinfin
46
Slika 25 Inverzna slika Klowast krivulje K
Konstanti k in n poševne asimptote y = kx + n krivulje Klowast dobimo s
formulama
k = limxrarrplusmninfin
y
x n = lim
xrarrplusmninfin(y minus kx)
V našem primeru je
k = limxrarrplusmninfin
y
x= limτrarrplusmn1
τ = plusmn1 n = a limτrarrplusmn1
τ ∓11minusτ4 = ∓
a4
Poševni asimptoti sta torej premici y = plusmn(xminusa4)
Obnašanje krivulje v okolici točke D utemeljimo če zapišemo impli-
citno obliko krivulje nekoliko drugače
y4 = (xminusa)x3 = (xminusa)(a+(xminusa))3 = a3(xminusa)+3a2(xminusa)2+3a(xminusa)3+(xminusa)4
47
Slika 26 Krivulja Klowast in približka v okolici točk O in D
Za x ki je zelo blizu a prevlada na desni prvi člen tako da je y4 asymp a3(xminusa)
Razlika xminusa se torej obnaša približno tako kot bikvadrat ordinate y
V okolici točke O kjer so abscise negativne iz istega razloga velja y4 asymp
minusax3 zato se tam krivulja obnaša približno tako kot četrtkubična parabola
(slika 26)
Inverzija krivulje Kprime na krožnici
Na krožnici x2 + y2 = a2 zrcalimo še krivuljo Kprime nožiščno krivuljo krivulje
K glede na točko O Dobimo dvodelno krivuljo Kprimelowast kakršno vidimo na
sliki 27
Enačba nove krivulje v implicitni obliki je
4(x2 minusy2)2 minus4ax(x2 minus9y2)minus27a2y2 = 0
48
Slika 27 Inverzna slika Kprimelowast krivulje Kprime
Krivulja je algebrska četrte stopnje je simetrična glede na os x ima ost
z vodoravno tangento v točki O skozi točko D pa poteka v blagem loku
Natančneje ugotovimo približni potek krivulje v okolici teh dveh točk če
v zgornji enačbi obdržimo prevladujoče člene V okolici točke O kjer so
abscise negativne je ay2 asymp minus4x327 torej približno tako kot polkubična
parabola V okolici točke D(a0) je y2 asymp minus4a(x minus a) kar pomeni da se
krivulja obnaša približno tako kot parabola
Pritisnjeni krožnici na K
Pritisnjeni krožnici v točki O na krivuljo K sta inverzni sliki asimptot
krivulje Klowast na krožnici x2 + y2 = a2 Preprost račun pokaže da se asimp-
toti krivulje Klowast z inverzijo ι preslikata v krožnici x2 + y2 plusmn4ay minus4ax = 0 ki
imata središči v točkah Splusmn(2aplusmn2a) in polmer 2aradic
2 Sekata se pavokotno
v točkah O in M(4a0) Inverzija ι namreč ohranja kote (slika 28)
49
Slika 28 Pritisnjeni krožnici na krivuljo K v točki O
Ukrivljenost κ(t) krivulje K v točki ki ustreza parametru t brez težav
izračunamo iz njenih parametričnih enačb (3)
κ(t) =2(3t2 +1)
a(1minus2t2 +9t4)32
V posebnem primeru je v točki O to se pravi za t = plusmn1 ukrivljenost enaka
κ(plusmn1) = 1(2aradic
2) zato sta v O polmera pritisnjenih krožnic 1κ(plusmn1) =
2aradic
2 kar se seveda ujema z rezultatom dobljenim z inverzijo na krožnici
Toksoida
Videli smo da je inverzna slika krivulje K krivulja Klowast ki ima enačbo y4 =
minusx3(aminusx) ki je formalno oblike (2) zam = 4n = 3p = 1 in k = minus1 Prav tako
je krivulja ay2 = minusx2(aminus x) ki jo dobimo iz enačbe ay2 = x2(aminus x) krivulje
K če zamenjamo aminus x z x minus a formalno oblike (2) za m = 2n = 2p = 1 in
50
k = minus1a Krivuljo označimo jo s T ki ima enačbo
ay2 = x2(xminusa)
je nemški amaterski matematik samouk in izumitelj Diedrich (tudi Diede-
rich) Uhlhorn (1764ndash1837) imenoval rdquotoksoidardquo V svojem delu [13] obrav-
nava več krivulj in za nekatere tudi opiše mehanske naprave s katerimi
se jih da risati pa tudi njihovo uporabo pri reševanje enačb Beseda rdquotok-
soidardquo izvira iz dveh grških τόξον kar pomeni rdquolokrdquo (kot orožje) pa tudi
rdquopuščicardquo in εἶδος kar med drugim pomeni rdquooblika podobardquo D Uhlhorn
je imenoval krivuljo v nemščini rdquoBogenlinierdquo ker nemški samostalnik rdquoBo-
genrdquo pomeni prav tako rdquolokrdquo Iz besede τόξον smo dobili tudi besede ki
so povezane s strupi kajti bojne puščice so bile često zastrupljene
Slika 29 Toksoida
Toksoida ima tudi izolirano točkoO(00) saj njeni koordinati zadoščata
implicitni enačbi
Iz implicitne enačbe toksoide dobimo z zamenjavo y = tx njeni parametri-
čni enačbi
x(t) = a(1+ t2) y(t) = at(1+ t2) (5)
ki pa ne vključujeta izolirane točke O
51
Toksoida je algebrska krivulja tretje stopnje simetrična glede na os x
ki jo preseka za t = 0 v točki D(a0) kjer ima navpično tangento Krivulja
na prvi pogled ni nič posebnega a že D Uhlhorn je pokazal kako se kon-
struira njene posamezne točke in kako se z njo podvoji kocko
Slika 30 Konstrukcija točk toksoide
Do točke T na toksoidi pridemo takole V koordinatnem sistemu Oxy
za pozitiven a določimo točko D(a0) in skoznjo konstruiramo pravokot-
nico na os x torej premico x = a (slika 30) Na tej premici izberemo točko
A ki jo bomo spreminjali da bomo dobili krivuljo Skozi O in A nato
načrtamo premico p v A pa nanjo pravokotnico q ki seka abscisno os v
točki B V B postavimo na abscisno os pravokotnico r ki preseka premico
p v točki T Ko A potuje po premici x = a točka T opiše toksoido T brez
izolirane točke O
Da res dobimo toksoido T je treba samo zapisati enačbi y = tx premice
p in y = minus(x minus a)t + at premice q ter točki A(aat) in B(a(1 + t2)0) ter
T (a(1+t2)at(1+t2)) Koordinati točke T pa res dasta paramatrični enačbi
52
toksoide
Slika 31 Konstrukcija srednjih geometrijskih sorazmernic s toksoido
Iz podobnih trikotnikov ODA OAB in OBT na sliki 30 sledi relacija
∣OD ∣
∣OA∣=∣OA∣
∣OB∣=
∣OB∣∣OT ∣
kar pomeni da sta ∣OA∣ in ∣OB∣ srednji geometrijski sorazmernici daljic
∣OD ∣ = a in ∣OT ∣ = b Zato lahko izrazimo ∣OA∣ =3radica2b in ∣OB∣ =
3radicab2 na isti
način kot pri (3)
Če imamo že načrtano toksoido T potem srednji geometrijski sorazmer-
nici za a in b gt a dobimo tako da poiščemo presečišče T krožnice s sredi-
ščem v O skozi točko C(b0) in na zgoraj opisan način poiščemo premice
pq in r ter točki A in B (slika 31) Za b = 2a na ta način rešimo problem
podvojitve kocke ∣OA∣ = a 3radic
2
Ukrivljenost κ(t) toksoide T v točki ki ustreza parametru t brez težav
53
izračunamo iz njenih parametričnih enačb (5)
κ(t) =2(3t2 minus1)
a(1+10t2 +9t4)32
Opazimo da ukrivljenost menja predznak pri t = plusmn1radic
3 kar nam da točki
Pplusmn(4a3plusmn4aradic
39) v katerih ima T prevoja s tangentama s smernima koe-
ficientoma plusmnradic
3 Tangenti oklepata z osjo x kota plusmnπ3 Pritisnjena krožnica
v točki D ki ustreza t = 0 ima za polmer 1∣κ(0)∣ = a2 in središče v točki
S(3a20) (slika 32)
Slika 32 Prevoja toksoide T in pritisnjena krožnica v točki D
Prevoja sta konstruktibilna pri čemer si lahko pomagamo z vesico pis-
cis nad daljico OD Njeni točki Vplusmn sta narazen za aradic
3 premici skozi O
in Vplusmn pa določata smeri tangent v prevojih Prav tako je konstruktibilna
točka S V okolici točk D in Pplusmn je ujemanje toksoide s pritisnjeno krožnico
v D in tangentama v prevojih Pplusmn zelo dobro
54
Enačba toksoide T v polarnih koordinatah in ϕ je
(ϕ) =a
cos3ϕ
kar sledi iz njene implicitne oblike
a(x2 +y2) = x3
Pri tem je treba le upoštevati zvezi x2 +y2 = 2 in x = cosϕ
Polarna oblika je zelo primerna za študij inverzije na krožnici s središčem
v točki O in polmerom R Če je namreč lowast polarni polmer invertirane
krivulje mora veljati relacija
(ϕ)lowast(ϕ) =R2
Če izberemo R = a dobimo za inverzno sliko toksoide T krivuljo (slika 33)
T lowast ki ima nasledno enačbo v polarnih koordinatah
lowast(ϕ) = acos3ϕ
Slika 33 Inverzna slika T lowast toksoide T
55
Iz polarne oblike krivulje T lowast hitro izpeljemo še njeno implicitno enačbo
(x2 +y2)2 = ax3
Torej je T lowast algebrska krivulja četrte stopnje
Ploščino S lika ki ga ograjuje krivulja T lowast izračunamo po znani for-
muli
S = 2 sdot12 int
π2
0lowast2(ϕ)dϕ = a2
int
π2
0cos6ϕdϕ = a2 sdot
56
sdotπ2=
5πa2
32
Krivulja T lowast je simetrična glede na os x v točkah O in D ima navpični
tangenti največji odklon od osi x pa doseže v točkah Yplusmn(9a16plusmn3aradic
316)
kjer ima vodoravni tangenti in sicer pri polarnih kotih plusmnπ6
De Slusove pomnoževalke hiperkock
Podvojitev kocke je kot vemo klasični grški geometrijski problem ki se ga
ne da rešiti evklidsko to je samo z neoznačenim ravnilom in šestilom kar
so dokazali šele v 19 stoletju Problem zahteva določiti rob kocke ki ima
prostornino enako dvakratniku prostornine dane kocke To pomeni da
je treba za dano daljico a konstruirati tako daljico b za katero je b = a 3radic
2
Problem podvojitve kocke so Grki znali rešiti na več načinov Eden od njih
je možen s posebno ravninsko krivuljo z Dioklovo cisoido (več na primer
v [7])
Povsem smiselno se je vprašati kako bi pomnožili s faktorjem s gt 0
poljubno r-razsežno hiperkocko z robom a Njena prostornina je ar zato
je b = a rradics rob hiperkocke katere prostornina je s-kratnik prostornine
hiperkocke z robom a Dva primera sta trivialna Za r = 1 imamo daljico
56
njena rdquoprostorninardquo je kar njena dolžina a za r = 2 pa kvadrat čigar rdquopros-
torninardquo je kar njegova ploščina a2 Za r = 3 imamo opraviti z običajno
kocko z običajno prostornino a3 V prvih dveh primerih množenje s fak-
torjem s ni problematično saj s problemom lahko geometrijsko rešimo s
podobnimi trikotniki in z višinskim izrekom v pravokotnem trikotniku
Za r ge 4 si r-razsežno hiperkocko teže predstavljamo ker je ne moremo
realizirati z običajno geometrijo To pa ni ovira pri pomnožitvi take hiper-
kocke s številom s ker moramo znati samo njen rob a geometrijsko pom-
nožiti s številom rradics kar pa lahko naredimo v običajni ravnini V mate-
matični analizi je r-razsežna hiperkocka z robom a na primer kar r-kratni
kartezični produkt intervala [minusa2a2] s samim seboj to je množica
[minusa2a2]r = (x1x2 xr) isinRr ∶ ∣x1∣ le a2 ∣x2∣ le a2 ∣xr ∣ le a2
Oglejmo si de Slusove perle (2) z eksponenti mn =mminus 1 in p = 1 fak-
torjem k = 1 ter a gt 0 pri čemer je m sodo število to se pravi krivulje z
implicitno enačbo
ym = xmminus1(aminusx) (6)
oziroma xm + ym = axmminus1 Pri danem m označimo ustrezno krivuljo s Hm
Med njimi je tudi stara znanka x2 + y2 = ax krožnica s polmerom a2
in središčem v točki S(a20) Skupne vsem krivuljam so točke O(00)
Cplusmn(a2plusmna2) D(a0) ter navpični tangenti v O in D Krivulje Hm so za-
ključene in simetrične glede na os x in se dajo lepo parametrizirati z y = tx
Za vsako dobimo parametrično enačbo
x(t) =a
1+ tm y(t) =
at1+ tm
(7)
Najbolj se taka krivulja oddalji od abscisne osi za t = 1 mradicmminus1 v točkah
Yplusmn(a(mminus1)mplusmnam mradic
(mminus1)mminus1) Za t = 0 dobimo točko D za ∣t∣rarrinfin pa
57
se krivulja bliža točki O Slika 34 kaže nekaj primerov
Slika 34 Nekaj krivulj Hm
Naj bo s poljubno pozitivno število in A(0as) točka na osi y Premica
skozi A in D preseka krivuljo Hm v točkah D(a0) in B(x0y0) za katero
potrebujemo samo razmerje y0x0 Na sliki 35 je izbran eksponent m = 4
Premica skozi A in D ima enačbo xa+sya = 1 iz katere izrazimo aminusx = sy
in vstavimo v enačbo (6) Dobimo ym = ysxmminus1 Ker iščemo točko B s
pozitivno ordinato lahko z y krajšamo in dobimo y0x0 =mminus1radics
Premica skozi O in B ima enačbo y = y0xx0 in preseka premico x = a
v točki C(aay0x0) oziroma C(aa mminus1radics) Zato je ∣DC∣ = ∣OD ∣ mminus1
radics) V
primeru m = 4 in s = 2 je ∣DC∣ = ∣OD ∣3radic
2) kar pomeni da se nam je pos-
rečilo podvojiti trirazsežno kocko Za s = 3 kocko potrojimo za s = 4
početverimo itd Še več zam = 6 in s = 2 podvojimo 5-razsežno hiperkocko
58
za s = 3 jo potrojimo za s = 4 početverimo itd
Slika 35 Krivulja H4 in pomnožitev roba trirazsežne kocke
Lihih m nam ni treba posebej obravnavati ker krivulje Hm ne bi bile
prave de Slusove perle Poleg tega bi tedaj bil mminus 1 sodo število denimo
m minus 1 = 2αq z naravnim α in lihim q Korenjenje se potem da izvesti z
α-kratnim kvadratnim korenjenjem in enim q-tim korenjenjem s krivuljo
Hq+1 kakor smo zgoraj opisali
Drug način za pomnožitev hiperkock poteka s cisoidami Cm krivuljHm
in premice x = a Pri parametru t premica y = tx preseka premico x = a
v točki C(aat) točka B pa ima tedaj koordinati dani z parametričnima
enačbama (7) S koordinatami točk B in C imamo takoj
ETHBC = (aminus
a1+ tm
at minusat
1+ tm) = (
atm
1+ tmatm+1
1+ tm)
59
Slika 36 Nekaj krivulj Cm
Da bo točka T na cisoidi Cm mora veljati zvezaETHOT =
ETHBC Potemtakem ima
Cm parametrični enačbi
x(t) =atm
1+ tm y(t) =
atm+1
1+ tm (8)
Ker je t = yx dobimo še implicitno enačbo krivulje Cm
xm+1 = ym(aminusx) (9)
oziroma x(xm+ym) = aym Krivulje so za sodem definirane nad intervalom
60
[0a) so simetrične glede na os x imajo za asimptoto premico x = a in
potekajo skozi koordinatno izhodišče O in točki Cplusmn(a2plusmna2) Asimptoti
se krivulja bliža ko ∣t∣ rarr infin V točki O pri t = 0 imajo ost z vodoravno
tangento Za m = 2 dobimo staro znanko Dioklovo cisoido
Slika 37 Krivulja C4 in pomnožitev roba 5-razsežne hiperkocke
Izberimo sedaj na ordinatni osi točko A(0as) pri čemer je s pozi-
tivno število in vzemimo premico skozi točki A in D (slika 37) Ta ima
enačbo xa + y(as) = 1 iz katere izrazimo a minus x = ys Premica preseka
cisoido Cm v točki M(x0y0) s pozitivno ordinato Iz enačb premice skozi
A in D in (9) dobimo y0x0 = m+1radics Premica skozi točki O in M ima
enačbo y = y0xx0 in preseka premico x = a v točki E(aa m+1radics) Torej velja
61
zveza ∣DE∣ = ∣OD ∣ m+1radics kar pomeni da smo našli rob (m + 1)-razsežne
hiperkocke ki ima za prostornino s-kratnik prostornine dane (m + 1)-
razsežne hiperkocke
Naj bo Sm ploščina lika ki ga omejuje krivulja Hm in Qm ploščina
neomejenega lika ki ga omejuje krivulja Cm z asimptoto Ni ju težko
izraziti
Pm =a2(mminus1)πm2 sin π
m Qm =
a2(m+1)πm2 sin π
m
Nadalje naj bo Vm prostornina telesa ki nastane z rotacijo krivulje Hm
okoli osi x Wm pa prostornina neomejenega telesa ki nastane z rotacijo
krivulje Cm okoli osi x Prav tako ju ni težko izraziti
Vm =2a3(mminus1)(mminus2)π2
3m3 sin 2πm
Wm =2a3(m+1)(m+2)π2
3m3 sin 2πm
Ploščine in prostornine so poleg drugega zanimale že matematike v
17 stoletju zlasti C Huygensa Izračunajmo prostornino telesa Um ki
nastane z rotacijo lika med cisoido in njeno asimptoto okoli te asimptote
(slika 38) Uporabili bomo sodobne zapise in Eulerjevi funkciji B in Γ ki
ju C Huygens še ni mogel poznati Presek nastalega telesa na višini y je
krog s polmerom aminusx in ploščino π(aminusx)2 Upoštevamo še simetrijo lika
glede na os x uporabimo parametrično obliko (8) in nastavimo integral
Um = 2πintinfin
0(aminusx(t))2y(t)dt = 2πa3
int
infin
0
tm(tm +m+1)(1+ tm)4 dt
ki ga lahko izrazimo v obliki
Um = 2πa3(I2 + (mminus1)I3 minusmI4)
pri čemer je
Ik = intinfin
0
dt
(1+ tm)k
62
ki ima za m ge 2 in k ge 1 končno vrednost S substitucijo u = 1(1 + tm)
dobimo
Ik =1m int
1
0ukminus1minus1m(1minusu)1mminus1du =
1m
B(kminus1m1m) =Γ(k minus1m)Γ(1m)
mΓ(k)
Na koncu je rezultat zelo preprost
Um =2π2a3(m2 minus1)
3m3 sin πm
Prve tri prostornine so
U2 =π2a3
4 U4 =
5radic
2π2a3
32 U6 =
35π2a3
162
Slika 38 Telo nastalo z zasukom lika med krivuljo C2 in njeno asimptoto
okoli te asimptote
Izračunajmo prostornino telesa Um ki nastane z rotacijo lika med cisoido
in njeno asimptoto okoli osi y (slika 39) Presek nastalega telesa na višini y
63
je krožni kolobar z notranjim polmerom x in zunanjim polmerom a ki ima
ploščino π(a2minusx2) Upoštevamo še simetrijo lika glede na os x uporabimo
parametrično obliko (8) in nastavimo integral
Um = 2πintinfin
0(a2 minusx2(t))y(t)dt = 2πa3
int
infin
0
tm(tm +m+1)(2tm +1)(1+ tm)4 dt
ki ga lahko izrazimo z zgoraj vpeljanimi integrali Ik v obliki
Um = 2πa3(2I1 + (2mminus3)I2 minus (3mminus1)I3 +mI4)
Na koncu dobimo za rezultat
Um =2π2a3(m+1)(2m+1)
3m3 sin πm
Prve tri prostornine so
U2 =5π2a3
4 U4 =
15radic
2π2a3
32 U6 =
91π2a3
162
V 17 stoletju so se zanimali tudi za težišča homogenih likov in teles
Lik ki ga omejuje krivulja Hm ima težišče na abscisni osi oddaljen za xT
od osi y Da bi lahko poiskali xT moramo najprej izračunati za ta lik
moment
Mm = 2inta
0xy dx = 2int
0
infinx(t)y(t)xdt = 2a3mint
infin
0
tm
(1+ tm)4 dt
Izrazimo z integrali Ik in dobimo
Mm = 2a3m(I3 minus I4) =πa3(mminus1)(2mminus1)
3m3 sin πm
Abscisa težišča lika je potem kvocient momenta Mm in ploščine Sm
xT =(2mminus1)a
3m
64
Slika 39 Telo nastalo z zasukom lika med krivuljo C2 in njeno asimptoto
okoli osi y
Lik omejen s krivuljo Cm ima težišče na abscisni osi oddaljen za xC
od osi y Da bi poiskali xC uporabimo kar PaposndashGuldinovo pravilo za
prostornino vrtenine
2πxC sdotQm = Um
kjer je Qm ploščina lika ki ga rotiramo okoli osi y Rezultat je proti vsem
pričakovanjem zelo preprost
xC =(2m+1)a
3m
Poznoantični matematik Papos iz Aleksandrije (290ndash350) v grščini Πάπ-
πος ὁ Αλεξανδρεύς v latinščini Pappus je pomemben ker je zbral prak-
tično vse dotakratno matematično znanje Grkov in dodal še marsikaj svo-
65
jega Njegovo najpomembnejše delo je rdquoZbirkardquo v grščini Συναγωγή Uk-
varjal se je tudi s klasičnimi grškimi geometrijskimi problemi
Jezuit Paul Guldin (1577ndash1643) je bil švicarski matematik in astronom
profesor matematike na Dunaju in v Gradcu Pred tem je študiral v Rimu
Skupaj s Paposom je znan
po pravilih za izračun prostornine rotacijskega telesa in površine rotacij-
ske ploskve
Slika 40 Telo nastalo z zasukom lika ki ga omejuje H4 okoli osi y
ProstorninaXm vrtenine ki nastane z rotacijo lika omejenega s krivuljo
Hm okoli osi y je po PaposndashGuldinovem pravilu za prostornino enaka
Xm = 2πxT sdot Pm = 2π(2mminus1)a
3msdota2(mminus1)πm2 sin π
m=
2π2a3(2mminus1)(mminus1)3m3 sin π
m
Slika 40 kaže vrtenino za primer krivulje H4 Podobne slike bi dobili tudi
za druge Hm
Če isti lik rotiramo okoli premice x = a tangente na krivuljo Hm v
točki D dobimo vrtenino s prostornino Ym ki jo izračunamo prav tako
66
po PaposndashGuldinovem pravilu za prostornino in dobimo
Ym = 2π(aminusxT ) sdot Pm = 2π(m+1)a
3msdota2(mminus1)πm2 sin π
m=
2π2a3(m2 minus1)3m3 sin π
m
Opazimo da je prostornina Ym enaka prostornini Um telesa ki nastane
z rotacijo lika med krivuljo Cm in njeno asimptoto okoli te asimptote
Dokler ni bil razvit infinitezimalni račun kakršnega poznamo danes
so računali ploščine težišča prostornine in površine za vsak primer pose-
bej Veliko so se v 17 stoletju pa tudi že prej znani matematiki ukvarjali
s cikloido na primer N Kuzanski M Mersenne G Galilei G P de Rober-
val C Wren G Cardano B Pascal I Newton G W Leibniz C Huygens
je neko njeno lastnost uporabil pri izdelavi ure na nihalo
Evdoksova kampila
Oglejmo si naslednjo konstrukcijo točk krivulje V točki D(a0) pri čemer
je a gt 0 postavimo pravokotnico p na abscisno os Na p izberemo točko
A ki jo bomo kasneje premikali po tej premici Skozi O in A načrtamo
premico q in skozi A krožnico s središčem v koordinatnem izhodišču O
Krožnica preseka abscisno os v točkah B in Bprime ki sta simetrični glede na
točko O V B in Bprime konstruiramo pravokotnici r in rprime na os x ki presekata
p v točkah T in T prime ki sta tudi simetrični glede na točko O Ko teče točka
A po premici p opišeta T in T prime dvodelno krivuljo ki so jo poimenovali
rdquoEvdoksova kampilardquo Točka T opiše njeno desno vejo T prime pa levo Krivulja
je očitno simetrična glede na obe koordinatni osi (slika 41)
Enačbo desne veje dobljene Evdoksove kampile je najlaže najprej izraz-
iti v polarnih koordinatah nato pa še v implicitni obliki v pravokotnih
67
Slika 41 Konstrukcija točk Evdoksove kampile
kartezičnih koordinatah Za polarni kot ϕ vzamemo naklonski kot pre-
mice q za polarni radij pa razdaljo ∣OT ∣ (slika 41) Najprej očitno veljata
zvezi ∣OA∣ = ∣OD ∣cosϕ = acosϕ in = ∣OT ∣ = ∣OB∣cosϕ = ∣OA∣cosϕ iz
katerih dobimo = acos2ϕ tako da je nazadnje pri pogoju minusπ2 ltϕ ltπ2
polarna enačba desne veje Evdoksove kampile
(ϕ) =a
cos2ϕ (10)
Obe veji krivulje imata implicitno obliko
a2(x2 +y2) = x4 (11)
ki jo dobimo iz polarne oblike z upoštevanjem zvez 2 = x2 + y2 in cosϕ =
x Krivulja v obliki (11) ima izolirano točko O(00) ki je posledica del-
jenja z ki je lahko tudi enak 0 Evdoksova kampila je algebrska krivulja
četrte stopnje
Z Evdoksovo kampilo se da podvojiti kocko Načrtamo krožnico s
središčem v točkiD in polmerom a Njena enačba je x2+y2 = 2ax Vstavimo
68
Slika 42 Podvojitev kocke z Evdoksovo kampilo
2ax namesto x2 + y2 v (11) in dobimo enačbo x4 minus2a3x = x(x3 minus2a3) = 0 ki
ima realni rešitvi x0 = 0 in x1 = a 3radic
2 V prvem kvadrantu se krožnica in
Evdoksova kampila sekata v točki T (a 3radic
2aradic
2 3radic
2minus 3radic
4) kar pomeni da
ima točka T absciso
∣T0T ∣ = b = a 3radic2
Kocka z robom b ima prostornino b3 = 2a3 torej dvakratnik prostornine
kocke z robom a
Grška beseda καμπύλος pomeni rdquokriv zavit upognjenrdquo v ženski ob-
liki καμπύλη beseda γραμμή pa rdquočrta potezardquo Polno ime krivulje je v
grščini καμπύλη γραμμή torej rdquokriva črtardquo na kratko so jo poimenovali kar
rdquokampilardquo kateri so dodali še Evdoksovo ime Evdoks iz Knida (408ndash355
pnš) Εὔδοξος ὁ Κνίδιος je bil starogrški matematik in astronom Bil je
Arhitov učenec v Tarentu grško Τάρας in Platonov na Akademiji v Ate-
nah Obiskal je tudi Sicilijo in Egipt Kasneje je ustanovil svojo šolo v
Kiziku grško Κύζικος ob Mramornem morju ali Propontidi grško Προ-
ποντίς Pomemben je njegov doprinos v teoriji razmerij in nesoizmerljivih
količin kar je uporabil Evklid Εὐκλείδης v svojih Elementih Στοιχεῖα
69
Grška beseda εὔδοξος pomeni med drugim rdquosloveč slaven ugledenrdquo
V astronomiji je Evdoks zagovarjal geocentrični svetovni sistem in za
pojasnitev gibanja planetov in Lune uvedel sistem koncentričnih sfer ki
se vrtijo ena v drugi S tem v zvezi je uvedel še eno krivuljo ki jo poznamo
pod imenom rdquoEvdoksova hipopedardquo
Problem podvojitve kocke je na svojevrsten način s torusom valjem
in stožcem rešil pitagorejec in vojaški poveljnik Arhitas iz Tarenta v južni
Italiji grško Αρχύτας ὁ Ταραντίνος rojen med letoma 435 in 410 umrl
pa med letoma 360 in 350 pnš Morda je Evdoks Arhitovo prostorsko
rešitev problema podvojitve kocke poenostavil na reševanje v ravnini in
tako prišel do svoje kampile Dokazano to ni nikjer ve se le da mu je
rešitev uspelo najti z neko krivuljo Način reševanja pa je podoben reše-
vanju z Uhlhornovo toksoido ki ima tudi podobno enačbo v polarni obliki
(ϕ) = acos3ϕ
Tako Uhlhornova toksoida kot Evdoksova kampila spadata v skupino
Clairautovih krivulj = acosnϕ ali = asinnϕ Če je n racionalno število
je Clairautova krivulja algebrska Alexis Claude Clairaut (1713ndash1765) je
bil francoski matematik in astronom
Evdoksovo kampilo brez izolirane toke O parametriziramo kar s po-
larnim kotom
x(ϕ) =a
cosϕ y(ϕ) =
asinϕcos2ϕ
Njena ukrivljenost κ(ϕ) se izraža v obliki
κ(ϕ) =cos3ϕ(3sin2ϕ minus1)
a(3sin2ϕ +1)32
Ukrivljenost spremeni predznak pri kotu ϕ za katerega je 3sin2ϕ minus1 = 0
V takih točkah ima krivulja prevoje Evdoksova kampila ima štiri in sicer
70
Slika 43 Desna veja Evdoksove kampile prevoja in pritisnjena krožnica
v točkah (plusmnaradic
62plusmnaradic
32) Strmini tangent v teh točkah sta plusmn2radic
2 Os x
presekata za desno vejo v točki G(3aradic
680) Krivinski polmer v točkah
D inDprime je enak a Središče pritisnjene krožnice v točkiD je v točki S(2a0)
Približno ujemanje krivulje tangent v prevojih Pplusmn in pritisnjene krožnice v
temenu D kaže slika 43 Ujemanje bi lahko izkoristili za približno podvo-
jitev kocke Če namesto Evdoksove kampile vzamemo kar njeno tangento
y = 2radic
2(xminusaradic
62)+aradic
32
v prevoju v prvem kvadrantu in poiščemo absciso ξ presečišča s krožnico
x2 +y2 = 2ax dobimo
ξa=
118
radic
24radic
6minus23+
radic6
3+
19≐ 1259956951
namesto točnejše vrednosti
3radic
2a
≐ 1259921049
71
Če bi podoben račun naredili za Uhlhornovo toksoido ki se v prevojih
tudi približno ujema s tangentama bi dobili slabši rezultat
Zgoraj opisani približek lahko izkoristimo za precej natančno evklid-
sko konstrukcijo roba b podvojene kocke z robom a V koordinatnem sis-
temu Oxy narišemo krožnico s polmerom a s središčem v točki D(a0)
skozi O pa konstruiramo premico p z naklonskim koeficientom k = 2radic
2
Na abscisni osi konstruiramo točkoG(3aradic
680) in skoznjo premico q vz-
poredno s p Presečišče te premice s krožnico je točka T njena pravokotna
projekcija na os y pa točka T0 Razdalja b = ∣T0T ∣ je dober približek za
a 3radic
2 (slika 44) Pri tem izkoristimo izraza za diagonalo kvadrata in višino
enakostraničnega trikotnika v katerih nastopataradic
2 inradic
3 s kombinacijo
obeh pa šeradic
6 Podrobnosti so izpuščene z malo truda lahko konstrukcije
izvede vsak sam
Slika 44 Približna podvojitev kocke
Zrcalno sliko Evdoksove kampile (11) na krožnici x2 + y2 = a2 takoj
dobimo iz polarne oblike njene desne veje lowast(ϕ) = acos2ϕ Z zapisom v
pravokotnih kartezičnih koordinatah dobimo implicitno obliko za celotno
prezrcaljeno krivuljo
(x2 +y2)3 = a2x4
72
Krivulja je algebrska šeste stopnje Simetrična je glede na obe koordinatni
osi Njeni največji odkloni od osi x so pri polarnih kotih ϕ za katere je
3sin2ϕ = 1 to je v točkah (plusmn2aradic
69plusmn2aradic
39) kjer ima krivulja vodo-
ravni dvojni tangenti
Slika 45 Zrcaljenje Evdoksove kampile na krožnici
Nova krivulja spada med Clairautove Ploščina P obeh delov jajčastih
oblik je
P = 4 sdota2
2 intπ2
0cos4ϕdϕ = 2a2 sdot
34
sdotπ2=
3πa2
8
Problem podvojitve kocke grško διπλασιασμός τοῦ κύβου ali deloški
problem poimenovan po grškem otoku Delosu v Egejskem morju je reše-
valo več grških geometrov ki so celo skušali izdelati v ta namen posebno
orodje Platon je pograjal Evdoksove Arhitove in Menajhmove učence
češ da njihovi napori kvarijo kar je dobrega v geometriji Nastal je celo
epigram (puščica zbadljivka) v zvezi s podvojitvijo kocke ki je zapisan v
Evtokijevih komentarjih k Arhimedovi razpravi rdquoO krogli in valjurdquo grško
Περὶ σφαίρας καὶ κυλίνδρου Matematik in neoplatonist Evtokij iz Aškalona
v Palestini Εὐτόκιος ὁ Ασκαλονίτης je bil poznoantični matematik rojen
73
okoli leta 480 umrl pa je okoli leta 520 O njem se ve bore malo Nekaj
časa je deloval v Atenah nazadnje pa v Aleksandriji Napisal je tudi ko-
mentarje k Apolonijevi razpravi rdquoStožnicerdquo v grščini Κωνικά Na stožnice
se je v srednjem kar nekoliko pozabilo zanimanje zanje je spet oživelo
šele v času Keplerja in Newtona ko je bil potreben opis gibanja planetov
v heliocentričnem svetovnem sistemu
Navedimo omenjeni epigram v grščini in v prevodu S Weiss (vzeto iz
obsežnega knjižnega dela v treh delih [3])
Μηδὲ σύ γrsquo Αρχύτεω δυσμήχανα ἔργα κυλίνδρων
μηδὲ Μεναιχμείους κωνοτομεῖν τριάδας
διζήσηι μηδrsquo εἴ τι θεουδέος Εὐδόξοιο
καμπύλον ἐν γραμμαῖς εἶδος ἀναγράφεται
Težkih Arhitovih del s cilindri nikar ne posnemaj
stožnic Menajhmovih treh nikdar izsekal ne boš
niti ne boš spoznal če božanskega črte Evdoksa
res zarišejo lik tak iz zavitih kampil
Videli smo kaj vse se da povedati o neki krivulji če obvladamo in-
finitezimalni račun Seveda nam je to sedaj ko imamo na voljo najnovejše
pripomočke in obsežno ter dostopno matematično literaturo veliko laže
kot je bilo matematikom v 17 stoletju ko so v marsičem še orali ledino
Pomembni znanstveniki rojeni v 17 stoletju
Navedimo nekaj pomembnih znanstvenikov predvsem matematikov fizi-
kov in astronomov ki so se rodili v 17 stoletju Razvrščeni so po letnicah
74
rojstva Veliko podatkov dobimo v [1 5] in na svetovnem spletu
Gilles Personne de Roberval (1602ndash1675)
Pierre de Fermat (1607ndash1665)
Giovanni Alfonso Borelli (1608ndash1679)
Evangelista Torricelli (1608ndash1647)
John Pell (1610ndash1685)
Johann Hevel (1611ndash1687)
Frans van Schooten (1615ndash1660)
Carlo Renaldini (1615ndash1698)
John Wallis (1616ndash1703)
Henry Oldenburg (1618ndash1677)
Michelangelo Ricci (1619ndash1682)
William Brouncker (1620ndash1684)
Edmeacute Mariotte (1620ndash1684)
Jean Picard (1620ndash1682)
Vincenzo Viviani (1622ndash1703)
Reneacute-Franccedilois de Sluse (1622-1685)
Blaise Pascal (1623ndash1662)
Giovanni Domenico Cassini (1625ndash1712)
Robert Boyle (1627ndash1691)
Christiaan Huygens (1629ndash1695)
Isaac Barrow (1630ndash1677)
Ehrenfried Walther von Tschirnhaus (1631ndash1708)
Christopher Wren (1632ndash1723)
Johann Hudde (1633ndash1704)
Robert Hooke (1635ndash1703)
75
William Neile (1637ndash1670)
James Gregory (1638ndash1675)
Philippe de la Hire (1640ndash1719)
Isaac Newton (1643ndash1727)
Olaus Roslashmer (1644ndash1710)
Gottfried Wilhelm Leibniz (1646ndash1716)
Denis Papin (1647ndash1712)
Michel Rolle (1652ndash1719)
Pierre Varignon (1654ndash1722)
Jacob Bernoulli (1655ndash1705)
Edmund Halley (1656ndash1742)
Guillaume Franccedilois Antoine LrsquoHocircpital (1661ndash1704)
David Gregory (1661ndash1708)
Abraham de Moivre (1667ndash1754)
Johann Bernoulli (1667ndash1748)
Jacopo Francesco Riccati (1676ndash1754)
Giulio Carlo Fagnano (1682ndash1766)
Roger Cotes (1682ndash1716)
Reneacute Antoine Reacuteaumur (1683ndash1757)
Greacutegoire de Saint-Vincent (1584ndash1667)
Brook Taylor (1685ndash1731)
Gabriel Daniel Fahrenheit (1686ndash1736)
Colin Maclaurin (1698ndash1746)
Pierre Louis Moreau de Mapertuis (1698ndash1759)
76
Viri
[1] I Asimov Biografska enciklopedija znanosti in tehnike Tehniška za-
ložba Slovenije Ljubljana 1978
[2] J Bair V Henry Sluse ses perles et son algorithme Losanges 14
(2011) str 14ndash18 httphdlhandlenet2268100155 (videno 10
7 2021)
[3] G Kocijančič (urednik) Fragmenti predsokratikov Študentska za-
ložba Ljubljana 2012
[4] G Loria Spezielle algebraische und transscendente ebene Kurven
Teubner Leipzig 1902
[5] U C Merzbach C B Boyer A History of Mathematics John Wiley amp
Sons Hoboken New Jersey 2011
[6] J J OrsquoConnor E F Robertson Reneacute Franccedilois Walter de Sluze MacTu-
tor
httpsmathshistoryst-andrewsacukBiographiesSluze
(videno 10 7 2021)
[7] B von Pape Von Eudoxus zu Uhlhorn Books on Demand Norderstedt
2019
[8] M Razpet Pomnožitev hiperkocke Obzornik mat fiz 68 (2021) št 1
str 1-9
[9] M Razpet in N Razpet Prepogibanje papirja podvojitev kocke in
Slusova konhoida Obzornik mat fiz 67 (2020) št 2 str 41-51
77
[10] Y Renotte Reneacute de Sluze dialogues avec Christiaan Huygens
Bulletin de lrsquouniversiteacute du 3e acircge - Liegravege 23 (2021) 4 strani
httphdlhandlenet22682596400 (videno 10 7 2021)
[11] R F Slusius Mesolabum seu duaelig mediaelig proportionales inter ex-
tremas datas per circulum et ellipsim vel hyperbolam infinitis modis
exhibitaelig Leodii Eburonum Liegravege 1659
[12] R F Slusius Mesolabum seu duaelig mediaelig proportionales inter ex-
tremas datas per circulum et per infinitas hyperbolas vel ellipses et
per quamlibet exhibitaelig ac problematum omnium solidorum effectio
per easdem curvas Leodii Eburonum Liegravege 1668
[13] D Uhlhorn Entdeckungen in der houmlhern Geometrie theoretisch und
practisch abgehandelt Schulzersquosche Buchhandlung Oldenburg 1809
[14] I Vidav Algebra Mladinska knjiga Ljubljana 1972
Avtor se zahvaljuje prof dr Milanu Hladniku za strokovni pregled
copy(2021) Marko Razpet
78
nas rdquokonstruktibilenrdquo če se ga da konstruirati z neoznačenim ravnilom in
šestilom
Drugo de Slusovo delo
De Sluse še vedno velja za izjemno učenega človeka nadarjenega za mate-
matiko izumiteljstvo in posploševanje Njegovo ime je še danes povezano
z njegovimi konhoidami in perlami De Slusova konhoida (slika 9) ki ima
implicitno obliko
(xminus c)(x2 +y2)minus2cx2 = 0
je precej natančno obravnavana v članku [9]
Slika 9 Slusova konhoida
Reneacute de Sluse se ni ukvarjal le z matematiko ampak tudi z astronomijo
fiziko naravoslovjem in seveda teologijo Pogosto se je pritoževal nad
omejitvami ki so mu jih nalagale njegove verske in upravne funkcije
Ni veliko eksperimentiral ker za to ni imel posebnega veselja pa tudi
ne tehničnih možnosti Je pa predlagal drugim zlasti Huygensu da naj
naredijo tak ali drugačen eksperiment Z zanimanjem je bral prepovedane
19
knjige N Kopernika G Galileja in J Keplerja ter kritiziral prizadevanja za
obnovitev starih konceptov Pisal je že o ekscentričnosti v zvezi s Soncem
Zdi se da je za svoje izračune uporabljal oba sistema heliocentričnega
in geocentričnega Rad je opazoval zvezdnato nebo Tako v kemiji kot
drugje se je znašel na razpotju Prebral je modne knjige o alkimiji in
celo ponovil poskus sublimacije antimona v belo barvo vendar je bila nje-
gova razlaga odločno korpuskularna saj je uporabljal Boylove zamisli o
strukturi tekočega in trdnega stanja V podporo temu je izvajal poskuse
zamrzovanja različnih raztopin in študiral sestavo lojevca V medicinski
kemiji se je zanimal za zdravilne vode in jih tudi analiziral
V fiziki sta ga je posebej zanimala merjenje temperature in praktična
termometrija Če ne upoštevamo odkritij E Torricellija in B Pascala o
vplivu atmosferskega tlaka na zračni termometer je de Sluse leta 1664
izumil svoj termometer z voščeno kroglico pomešano s peskom ki se je
gibala v stekleni cevi zaprti na dnu napolnjeni s slano vodo tako da je
bila kroglica bolj ali manj potopljena v sredini cevi kar je opisal v pismih
Huygensu Kroglica je označevala vsako spremembo v zraku iz toplejšega
na hladnejše ko se je spuščala ali dvigala Huygens je odgovoril da je
njegov termometer prepočasen vendar je zanesljivejši od drugih istovrst-
nih termometrov ker je manj podvržen vplivu atmosferskega tlaka Žal
ni poznal florentinskega termometra ko je svojim dopisnikom vključno s
Huygensom in Oldenburgom povedal o svojem izumu Florentinski ter-
mometri so pomenili odločilen korak naprej pri merjenju temperature
Bili so prvi ki so omogočali natančne meritve Pred iznajdbo v Firencah
okoli leta 1650 so bili stari modeli zelo približni določali so ali je pred
nami nekaj hladnega ali vročega ne da bi lahko odčitali ali ocenili tem-
peraturo Razlika je v tem da je steklena cev zaprta tako da je vpliv tlaka
20
odpravljen Uporabljali so se predvsem petdesetstopinjski termometri
Taki termometri so večinoma služili za določanje nihanja temperature zra-
ka v zaprtih prostorih in na prostem Oblikovanje termometra je takrat
pomenilo tudi določitev njegove merilne lestvice vendar še brez Celzijevih
ali Fahrenheitovih stopinj Pri tem so bile stopinje enakomerno razpore-
jene med dvema skrajnostma in sicer med nivojem najhladnejše tekočine
pozimi (nizka točka) in nivojem najbolj vroče tekočine poleti (visoka točka)
Zaradi teh zelo relativnih vrednosti je primerjava meritev med dvema ter-
mometroma nezanesljiva Ob upoštevanju pripomb jo je večkrat spreme-
nil in jo ponovno predložil Oldenburgu do leta 1669 ko je R Boyle izrazil
negativno mnenje glede topnosti voska kroglic v slani tekočini Po tem da-
tumu termometer ni bil nikoli več omenjen De Sluse je zboljšal različne
instrumente ure številčnice barometre Ker ga je motilo prerekanje med
raziskovalci glede avtorstva odkritij je po Oldenburgovi smrti leta 1677
končal svojo znanstveno dejavnost
Šele v 18 stoletju so razvijali temperaturne merilne lestvice C Re-
naldini (1694) O C Roslashmer (1702) G Fahrenheit (1717) Reneacute-Antoine
F de Reacuteaumur (1730) in A Celsius (1741) Enota kelvin (K ndash v čast lordu
Kelvinu 1824-1907) osnovna enota mednarodnega sistema enot za tem-
peraturo je bila uvedena šele leta 1954
De Sluse je bil tudi zgodovinar Napisal je knjigo o smrti sv Lam-
berta škofa v Tongresu ki je bil ubit na kraju kamor je sv Hubert njegov
naslednik prenesel sedež svoje škofije Kraj se je kasneje razvil v Liegravege
Druga zgodovinska študija se nanaša na slavnega maastrichtskega škofa
sv Servacija Med de Slusovimi neobjavljenimi rokopisi je tudi zgodovina
Koumllna Pripomnimo še da je sv Hubert zavetnik lovcev matematikov
optikov in kovinarjev
21
O širini de Sluzovih interesov priča raznolikost tem ki so zajete na
več sto straneh njegovega dela neobjavljenih rokopisov ki jih zdaj hrani
Narodna knjižnica Bibliotheque Nationale v Parizu Čeprav se je ukvarjal
predvsem z matematiko njegovi rokopisi obravnavajo tudi astronomijo
fiziko in naravoslovje
De Slusove perle
Po de Slusu so po zaslugi B Pascala (več o tem v [4]) imenovane tudi
krivulje rdquode Slusove perlerdquo to so krivulje ki se v pravokotnem kartezi-
čnem koordinatnem sistemu Oxy izražajo z enačbo
ym = kxn(aminusx)p (2)
Pri tem so eksponenti mn in p naravna števila a in k pa pozitivni kon-
stanti Glede na parnost eksponentovmn in p formalno razlikujemo osem
možnosti od katerih imamo opravka s perlami le v primeru ko je m sodo
število s pravimi perlami pa v primeru ko je m sodo število n in p pa lihi
števili (slika 10) Skupno tem krivuljam so simetričnost glede na os x in
presečišča s to osjo pri x = 0 in x = a De Sluse je po svoje brez uporabe
odvoda izračunal da njegove perle dosegajo lokalne ekstreme največji
odstop od osi x med 0 in a za x = na(n+p)
V teh primerih je ploščina S lika ki ga ograjuje zanka perle enaka
S = 2k1mint
a
0xnm(aminusx)pmdx = 2k1ma(m+n+p)mint
1
0tnm(1minus t)pmdt
Integracijsko spremenljivko x smo zamenjali z novo spremenljivko t prek
relacije x = at da smo dobili obliko ki jo lahko izrazimo z Eulerjevima
22
Slika 10 Primeri de Slusovih perl
funkcijama B in Γ
S = 2k1ma(m+n+p)mB(nm+1pm+1) =
= 2k1ma(m+n+p)mΓ(nm+1)Γ(pm+1)
Γ((n+p)m+2)=
= 2k1ma(m+n+p)mnp
(m+n+p)(n+p)
Γ(nm)Γ(pm)
Γ((n+p)m)
Pri rotaciji okoli osi x ta lik v prostoru opiše telo s prostornino
V =πk2mint
a
0x2nm(aminusx)2pmdx =πk2ma(m+2n+2p)m
int
1
0t2nm(1minust)2pmdt
23
Slika 11 Zasuk de Slusove perle za m = 2n = 3p = 1k = 001 okoli osi x
Integracijsko spremenljivko x smo tudi to pot zamenjali z novo spremenljivko
t prek relacije x = at da smo dobili obliko ki jo lahko izrazimo z Eulerje-
vima funkcijama B in Γ
V =πk2ma(m+2n+2p)mB(2nm+12pm+1) =
=πk2ma(m+2n+2p)mΓ(2nm+1)Γ(2pm+1)Γ((2n+2p)m+2)
=
= 2πk2ma(m+2n+2p)m np
(m+2n+2p)(n+p)Γ(2nm)Γ(2pm)
Γ((2n+2p)m)
Poseben primer de Slusove perle
Natančneje bomo obravnavali de Slusovo perlo samo primer za m = n = 2
p = 1 in k = 1a to se pravi krivuljo K ki ima implicitno enačbo ay2 =
x2(a minus x) To pa zato ker se posamezne točke te krivulje da preprosto
konstruirati z osnovnim geometrijskim orodjem
24
Geometrijska konstrukcija in analitična obravnava
Do posameznih točk T krivulje K pridemo s preprosto geometrijsko kon-
strukcijo (slika 12) V pravokotnem kartezičnem koordinatnem sistemu
Oxy načrtamo premico x = a kjer je a pozitivna konstanta Skozi koordi-
natno izhodišče O potegnemo premico p ki ima enačbo y = tx in preseka
premico x = a v točki A(ata) Parameter t smerni koeficient premice p s
katerim je sorazmerna ordinata točkeA bomo kasneje spreminjali V točki
A na p postavimo pravokotnico q ki seka os x v točki B V B načrtamo na
q pravokotnico r ki seka premico x = a v točki C nazadnje pa skozi C še
pravokotnico s na r Presečišče premic p in s naj bo točka T (xy) Sedaj
bomo izrazili njeni koordinati x in y s parametrom t
Slika 12 Konstrukcija točke T de Slusove perle K
Premica q ima enačbo y = minus(x minus a)t + at in preseka os x v točki B(a +
at20) Premica r ima enačbo y = t(x minus aminus at2) in preseka premico x = a v
točki C(aminusat3) premica s pa enačbo y = minus(xminus a)t minus at3 Koordinati točke
T sta rešitvi sistema enačb
y = tx y = minusxminusat
minusat3
25
Po krajšem računu dobimo
x(t) = a(1minus t2) y(t) = at(1minus t2) (3)
To sta parametrični enačbi krivulje K Ko spreminjamo t po vseh realnih
vrednostih oziroma ko A drsi po premici x = a točka T (xy) opiše krivuljo
K (slika 13) z zanko ki spominja na perlo
Če si mislimo da je parameter t čas enačbi (3) predstavljata sestav-
ljeno gibanje točkaste mase v dveh med seboj pravokotnih smereh v koor-
dinatni ravnini v smeri osi x po pravilu prve enačbe v smeri osi y pa po
pravilu druge enačbe Tirnica takega gibanja je krivulja K Podoben le da
bolj preprost primer imamo tudi pri gibanju točkaste mase pri poševnem
metu
Slika 13 De Slusova perla K
Ko se t spreminja od zelo velikih negativnih vrednosti potuje T po
loku v drugem kvadrantu navzdol in doseže za t = minus1 prvič točko O Za
minus1 le t le 0 opiše lok v četrtem kvadrantu odO do temenaD(a0) za 0 le t le 1
opiše lok v prvem kvadrantu od D do točke O ki jo doseže drugič za t = 1
za t gt 1 pa se spusti po loku v tretjem kvadrantu navzdol
26
Če upoštevamo (3) dobimo
x2(t)(aminusx(t)) = a2(1minus t2)2 sdotat2 = a(at(1minus t2))2 = ay2(t)
To pomeni da je ay2 = x2(aminusx) implicitna enačba krivulje K in da je K al-
gebrska krivulja tretje stopnje Krivulja K je simetrična glede na os x Za
točke ki so zelo blizu koordinatnemu izhodiščuO je člen x3 zanemarljivo
majhen v primerjavi s kvadratnima členoma zato je tam enačba krivulje
K približno ay2 = ax2 oziroma (y minusx)(y +x) = 0 Ta enačba razpade na dve
y = x in y = minusx V točki O ima krivulja tangenti y = x in y = minusx ki se sekata
pravokotno V točki D je tangenta na krivuljo premica x = a Krivulja ima
na zanki dve glede na os x simetrično ležeči lokalno ekstremni točki v ka-
terih je tangenta vzporedna z osjo x To sta točki Mplusmn(2a3plusmn2aradic
39) De
Sluse jih je na svojevrsten način pravilno izračunal čeprav je bilo v nje-
govem času računanje z odvodi še v zametkih Da bi pravilnost ekstrem-
nih točk preverili brez odvoda uporabimo kvadrat ekstremne ordinate ki
je y2M = 4a227 in zapišimo izraz
ay2M minusx2(aminusx) = 4a327minusax2 +x3 = (xminus2a3)2(x+a3)
ki je za 0 lt x lt a nenegativen in enak 0 za x = 2a3 To pomeni da je
tedaj x2(a minus x) le 4a327 in največja ordinata na zanki krivulje je 2aradic
39
najmanjša pa minus2aradic
39 oboje pri x = 2a3 (slika 14)
Z uporabo odvoda gre vse veliko hitreje Ordinata y doseže ekstrem
takrat kot ay2 Zato je vseeno če poiščemo ekstrem enostavnejše funkcije
g(x) = x2(a minus x) = ax2 minus x3 Potreben pogoj za to je g prime(x) = 2ax minus 3x2 = 0
Dobimo stacionarni točki x1 = 0 in x2 = 2a3 Uporabimo še g primeprime(x) = 2aminus6x
Ker je g primeprime(x1) = 2a gt 0 in g primeprime(x2) = minus2a lt 0 ima funkcija g v točki x1 lokalni
minimum ki je enak 0 v točki x2 pa lokalni maksimum ki je enak 4a327
27
Slika 14 Lokalna ekstrema na de Slusovi perli K
Ekstremna točka na zanki kjer je tangenta vzporedna z osjo x je očitno
le v x2 kvadrat ekstremne ordinate je tedaj g(x2)a = 4a227 = 12a281
Ekstremni ordinati sta torej plusmn2aradic
39 pri abscisi 2a3
Abscise 2a3 ni težko geometrijsko konstruirati prav tako tudi ne or-
dinate 2aradic
39 ki je 29 razdalje ∣PminusP+∣ = aradic
3 kjer sta Pminus in P+ presečišči
krožnih lokov s središčema v točkahO inD in polmerom ∣OD ∣ To pomeni
da sta točki Pminus in P+ konstruktibilni
Če bi načrtali celotna krajša krožna loka med Pminus in P+ bi dobili med
njima lečast lik ki so mu nekoč rekli rdquovesica piscisrdquo kar dobesedno pomeni
rdquoribji mehurrdquo Lik je bil zelo znan v srednjeveški sakralni umetnosti
Čeprav v de Slusovem času še niso poznali odvoda funkcije v današn-
jem smislu so že vedeli zahvaljujoč Fermatu da ima funkcija v točki
lokalnega ekstrema vodoravno tangento
28
Spremljajoča parabola
Nastajanje krivulje K spremljajo še nekatere druge bolj ali manj znane
krivulje Najprej si oglejmo kaj dobimo če točko O pravokotno projici-
ramo na premice r in spreminjamo parameter t Dobljena projekcija naj
bo R (slika 15)
V prispevku se pogosto sklicujemo na povezavo med smernima koe-
ficientoma premice in pravokotnice nanjo Koeficienta sta si inverzna in
nasprotna Zato zlahka napišemo enačbo premice r in pravokotnice skozi
O nanjo
y = t(xminusaminusat2) y = minusxt
Njuno presečišče R ima koordinati
x(t) = at2 y(t) = minusat
Z izločitvijo parametra t dobimo y2 = ax kar pomeni da točke R pri spre-
minjanju točkeA po premici x = a opišejo parabolo rdquospremljajočo parabolordquo
ki ima gorišče v točki F(a40) in vodnico v z enačbo x = minusa4
Slika 15 De Slusova perla K in spremljajoča parabola
29
Ogrinjače
Ko drsi točka A po premici x = a premice s ogrinjajo neko krivuljo Ks
Premice s so v točki T krivulje K pravokotne na premice skozi O in T
Njeno enačbo dobimo po standardnem postopku Enačba premic s je
F(xyt) = y +xminusat
+at3 = 0
To je enoparametrična družina premic ki ogrinjajo krivuljo Ks imeno-
vano rdquoogrinjačardquo te družine (slika 16) V vsaki točki ogrinjače se jo dotika
ena premica v različnih točkah različne premice družine Enačbo njihove
ogrinjače v implicitni obliki dobimo tako da iz sistema enačb
Slika 16 De Slusova perla K in ogrinjače Ks Kq Kr
F(xyt) = 0partFpartt
(xyt) = 0
izločimo parameter t Iz enačbe
partFpartt
(xyt) = minus(xminusa)t2 +3at2 = 0
30
dobimo najprej xminusa = 3at4 kar vstavimo v prvo enačbo v sistemu in imamo
y = minus4at3 Dobili smo ogrinjačo v parametrični obliki
x(t) = a(1+3t4) y(t) = minus4at3
Izločimo t in enačba iskane ogrinjače Ks v implicitni obliki je pred nami
27y4 = 256a(xminusa)3
Ker je y dobljene krivulje sorazmeren s potenco (x minus a)34 lahko rečemo
da je ogrinjača premic s četrtkubična parabola
Podobno poiščemo ogrinjačo Kq premic q
F(xyt) = yt +xminusaminusat2 = 0partFpartt
(xyt) = y minus2at = 0
Ogrinjača v parametrični obliki je to pot
x(t) = a(1minus t2) y(t) = 2at
Z izločitvijo parametra t dobimo njeno enačbo v implicitni obliki
y2 = minus4a(xminusa)
Dobljena krivulja Kq je parabola z vodnico x = 2a in goriščem v točki O
(slika 16)
Nazadnje po enakem postopku kot doslej poiščemo še ogrinjačo Kr
premic r
F(xyt) = y minus tx+at +at3 = 0partFpartt
(xyt) = minusx+a+3at2 = 0
Ogrinjača v parametrični obliki je potem
x(t) = a(1+3t2) y(t) = 2at3
31
Z izločitvijo parametra t dobimo njeno enačbo še v implicitni obliki
27ay2 = 4(xminusa)3
Dobljena krivulja Kr je polkubična ali Neilova parabola z ostjo v točki
D(a0) kjer ima vodoravno tangento (slika 16) Krivuljo Ks smo up-
ravičeno imenovali četrtkubična parabola Slednja ima v točki D(a0)
navpično tangento
Edinole premice p od tistih ki sodelujejo v konstrukciji točk krivulje
K nimajo ogrinjače Vse premice p namreč potekajo skozi koordinatno
izhodišče O in očitno ne ogrinjajo nobene krivulje
Nožiščne krivulje
Novo krivuljoHprime dobimo če na tangente dane krivuljeH pravokotno pro-
jiciramo izbrano točko Φ Vse projekcije P nožišča točke Φ na tangentah
krivuljeH sestavljajo krivuljoHprime ki jo imenujemo rdquonožiščnardquo ali rdquopedalna
krivuljardquo krivulje H glede na točko Φ
Beseda rdquopedalenrdquo izhaja iz latinske rdquopedalisrdquo kar pomeni rdquonoženrdquo Os-
novna beseda je rdquopesrdquo v rodilniku ednine rdquopedisrdquo kar pomeni rdquonogardquo Od
tod izvirajo tudi besede rdquopedalordquo rdquopedalarrdquo in rdquopedalinrdquo
Poiščimo nekaj nožiščnih krivulj glede na koordinatno izhodišče O
Najprej za krivuljo K ki je poseben primer de Slusove perle Za odvod
v točki T isinK ki ustreza parametru t dobimo
dy
dx(x) =
y
x(t) =
3t2 minus12t
Enačbi tangente v T in pravokotnice skozi O nanjo pa se glasita
y minusat(1minus t2) =3t2 minus1
2t(xminusa(1minus t2)) y =
2t1minus3t2
x
32
Sekata se v točki P s koordinatama
x(t) =a(t2 minus1)2(1minus3t2)
9t4 minus2t2 +1 y(t) =
2at(t2 minus1)2
9t4 minus2t2 +1 (4)
S tem smo našli parametrični enačbi krivulje Kprime (slika 17) Do implicitne
enačbe je dolga pot prek rezultante dveh polinomov spremenljivke t od
katerih je prvi druge drugi pa pete stopnje Najprej opazimo da je v (4)
yx = 2t(1minus 3t2) kar lahko zapišemo kot p(t) = 3yt2 + 2xt minus y = 0 drugo
enačbo pa zapišemo v obliki q(t) = 2at5 minus 9yt4 minus 4at3 + 2yt2 + 2at minus y = 0
Zaradi enostavnosti smo pisali x in y brez argumenta t Da izločimo pa-
rameter t je treba zapisati rdquorezultantordquo R(p(t)q(t)) polinomov p(t) in
q(t) in jo izenačiti z 0 (glej [14])
R(p(t)q(t)) =
RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR
2a minus9y minus4a 2y 2a minusy 0
0 2a minus9y minus4a 2y 2a minusy
3y 2x minusy 0 0 0 0
0 3y 2x minusy 0 0 0
0 0 3y 2x minusy 0 0
0 0 0 3y 2x minusy 0
0 0 0 0 3y 2x minusy
RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR
= 0
Zadnji stolpec je deljiv z y Ker y = 0 ni del iskane nožiščne krivulje pre-
ostane ko izračunamo determinanto in jo okrajšamo z y in preuredimo
27y2(x2 +y2)2 +4ax(x2 minus9y2)(x2 +y2)minus4a2(x2 minusy2)2 = 0
Rezultat je torej algebrska krivulja šeste stopnje Krivulja je simetrična
glede na abscisno os točka O pa je njena posebna točka Za zelo majhne
x in y prevlada zadnji člen kar pomeni da sta premici y = x in y = minusx v O
tangenti na krivuljo
33
Slika 17 Nožiščna krivulja Kprime krivulje K glede na koordinatno izhodišče
Zanka krivulje Kprime nekoliko spominja na srčnico ali kardioido ki jo
opisujejo točke krožnice ki se brez drsenja kotali po enako veliki krožnici
Krivulja Kprime ima še neomejeni del ki se razteza po drugem in tretjem kvad-
rantu Poglejmo kako potuje točka po krivulji v parametrizaciji (4) ko
parameter t teče po številski premici Za t lt minus1 poteka krivulja po tretjem
kvadrantu pri čemer x(t)rarr minusinfin in y(t)rarr minusinfin ko t rarr minusinfin Pri t = minus1 točka
doseže O v obliki osti ki ima za tangento premico y = x Za minus1 lt t lt 0
potuje točka po četrtem kvadrantu doseže točko D pri t = 0 za 0 lt t lt 1
potuje naprej po prvem kvadrantu in pri t = 1 spet doseže O kjer ima
ost s tangento y = minusx nato nadaljuje pot po drugem kvadrantu pri čemer
x(t)rarr minusinfin in y(t)rarrinfin ko trarrinfin
Nožiščna krivulja malo prej obravnavane krivulje Ks glede na točko O
ni nič drugega kot krivulja K Premice s so namreč tangente na Ks nožišča
točke O na njej pa so točke krivulje K Lahko pa to preverimo z računom
34
tako kot smo poiskali nožiščno krivuljo Kprime za K glede na točko O
Za odvod v poljubni točki na Ks ki ustreza parametru t dobimo
dy
dx(x) =
y
x(t) = minus
1t
Enačbi tangente v tej točki in pravokotnice skozi O nanjo pa se glasita
y +4at3 = minus1t(xminusa(1+3t4)) y = tx
Sekata se v točki s koordinatama
x(t) = a(1minus t2) y(t) = at(1minus t2)
To sta ravno parametrični enačbi krivulje K tako da velja Kprimes =K
Podobno ugotovimo tudi da je premica x = a nožiščna krivulja za para-
bolo Kq Premica x = a je tangenta te parabole v temenu V splošnem je
temenska tangenta parabole kar njena nožiščna krivulja glede na gorišče
Ugotovili smo torej da je nožiščna krivulja krivulje Kr spremljajoča para-
bola krivulje K
Ekstremne točke nožiščne krivulje Kprime
Ekstremne točke na zanki krivulje Kprime dobimo iz odvodov
x(t) =2at(1minus t2)(3t2 +1)(9t4 +2t2 minus3)
(9t4 minus2t2 +1)2
y(t) =2a(t2 minus1)(3t2 +1)(3t4 +6t2 minus1)
(9t4 minus2t2 +1)2
Za t = 0 doseže v točki D(a0) abscisa svojo največjo vrednost Za t = plusmn1
poteka krivulja skozi točko O kjer sama sebe preseka pod pravim kotom
ker je yprime(0) = (yx)(plusmn1) = ∓1
35
Najmanjšo absciso na zanki ima krivulja Kprime v točki ki jo določa para-
meter t za katerega velja pogoj 9t4 +2t2 minus3 = 0 To je bikvadratna enačba
katere realni rešitvi sta tplusmn = plusmnradic
2radic
7minus13 ustrezni točki na krivulji pa
izračunamo z enačbama (4) in dobimo
Xplusmn(a(17minus7radic
7)27plusmnaradic
74radic
7minus17227)
Ekstremni ordinati na zanki ima krivulja takrat za tisto vrednost para-
metra t za katerega velja pogoj 3t4 + 6t2 minus 1 = 0 Realni rešitvi te bi-
kvadratne enačbe sta tplusmn = plusmn(3radic
2minusradic
6) 4radic
36 ustrezni točki na krivulji pa
Yplusmn(a(3minusradic
3)3plusmna 4radic123)
Ker v koordinatah ekstremnih točk nastopajo poleg osnovnih aritmetičnih
operacij le kvadratni in bikvadratni (četrti) koreni so te točke konstruk-
tibilne
Cisoida
Spoznali smo enega od načinov pridobivanja novih ravninskih krivulj iz
danih to je z nožišči izbrane točke na tangentah dane krivulje Krivulji
s tem priredimo nožiščno krivuljo glede na izbrano točko Drug tak pre-
prost način kako iz znanih krivulj dobimo nove je cisoidni način Kako
pa ta poteka
Denimo da sta znani krivulji K1 in K2 ter točka O ki ležijo v isti
ravnini Pri tem sta K1 in K2 taki krivulji da vsaka premica p skozi O
ki seka K1 v neki točki T1 seka tudi K2 recimo v točki T2 (slika 18) Za
vsak T1 označimo na p točko T tako da veljaETHOT =
ETHETHT1T2 Ko T1 potuje po
K1 T opiše krivuljo C ki jo imenujemo cisoida krivulj K1 in K2 glede na
točko O Definicije take cisoide se nekoliko razlikujejo od vira do vira
36
Slika 18 Krivulja C je cisoida krivulj K1 in K2 glede na točko O
Dioklova cisoida s katero rešimo problem podvojitve kocke je cisoida
krožnice x2 + y2 = ax in premice x = a glede na koordinatno izhodišče O
Več o cisoidah in njihovi uporabi je napisanega na primer v [8]
Krivulja K je povezana tudi s polkubično ali semikubno ali Neilovo
parabolo poimenovano po Williamu Neilu (1637ndash1680) Parametrični
enačbi (3) lahko zapišemo v vektorski obliki v standardni bazi kot razliko
kolinearnih vektorjev
r(t) = (x(t)y(t)) =ETHOT = (a(1minus t2)at(1minus t2)) = (aat)minus (at2at3)
Vektor r1(t) = (aat) = (a0)+at(01) je enačba premice x = a v parametrični
obliki vektor r2(t) = (at2at3) pa polkubične parabole ki ima enačbo ay2 =
x3 in ost v točkiO Parameter t geometrijsko pomeni tangens naklonskega
kota premice OA (slika 13)
Premica y = tx poteka skozi koordinatno izhodišče O in seka premico
x = a v točkiA(aat) zato jeETHOA = r1 Ista premica seka polkubično parabolo
P ki ima enačbo ay2 = x3 v točki P (at2at3) tako da jeETHOP = r2 S tem je
ETHPA =
ETHOAminus
ETHOP = r1minus r2 = r To pomeni da je r =
ETHOT =
ETHOAminus
ETHOP Potemtakem
je krivulja K cisoida polkubične parabole P z enačbo ay2 = x3 in premice
37
Slika 19 De Slusova perla K kot cisoidna krivulja
x = a glede na točko O (slika 19)
Neilova parabola in ločna dolžina
Neilova ali polkubična parabola ay2 = x3 je bila v zgodovini matematike
pomembna kot ena prvih krivulj za katero so znali izračunati ločno dolžino
Prav prvi je to znal John Wallis (1616ndash1703) leta 1657
Denimo da nas zanima ločna dolžina `(b) te krivulje nad intervalom
[0b] (slika 20) Znano je da lahko uporabimo formulo za ločno dolžino
krivulje ki je dana v eksplicitni obliki
`(b) = intb
0
radic
1+yprime2dx
Pri tem je y = f (x) enačba krivulje in yprime = f prime(x) V našem primeru je y =
38
Slika 20 Neilova ali polkubična parabola
f (x) = plusmnradicx3a Kratek račun nam da yprime2 = 9x(4a) in
`(b) = intb
0
radic
1+9x4adx
Z uvedbo nove integracijske spremenljivke u z relacijo u2 = 1 + 9x(4a)
dobimo
`(b) =8a9 int
c
1u2du =
8a27
(c3 minus1)
pri čemer je c =radic
1+9b(4a)
Leibnizeva izohrona je krivulja po kateri se je leta 1687 vprašal G W
Leibniz Poiskati je treba v navpični ravnini krivuljo po kateri se brez
trenja giblje točkasta masa ki je podvržena konstantnemu težnostnemu
polju tako da je navpična komponenta njene hitrosti ves čas konstantna
Nalogo je prvi rešil C Huygens nizozemski astronom fizik in matema-
tik znan tudi po odkritju Saturnovega satelita Titana in znamenitih Sat-
urnovih obročev ter po izdelavi prve ure na nihalo kar je bilo za tiste čase
velik napredek v merjenju točnega časa
39
Slika 21 Leibnizeva izohrona
Izhodišče O postavimo v najvišjo točko krivulje (slika 21) V tej točki
je horizontalna hitrost premikajoče se mase m enaka 0 Naj bo v0 njegova
navpična hitrost navzdol Os y je vodoravna os x pa usmerjena navz-
dol Potencialno energijo mase računamo nad izbranim nivojem spodaj V
skladu z načelom ohranitve mehanske energije v času t in času 0 potem
velja12mv2(t)+mg(hminusx(t)) =
12mv2
0 +mgh
Pri tem je g težni pospešek Po poenostavitvi dobimo v2(t) = 2gx(t)+ v20
Vektor hitrosti ima v vsakem trenutku med seboj pravokotni komponenti
v(t) = (x(t) y(t)) za t = 0 pa v(0) = (v00) Upoštevamo da je ∣v(t)∣2 =
v2(t) = x2(t) + y2(t) in da je x(t) = v0 pa imamo sistem diferencialnih
enačb
x(t) = v0 y(t) =radic
2gx(t)
ki ga rešimo pri začetnih pogojih x(0) = y(0) = 0 in dobimo
x(t) = v0t y(t) =23
radic2gv0t3
40
Koordinati točk na dobljeni krivulji zadoščajo enačbi
ay2 = x3 a =9v2
0
8g
Pri dani konstanti a je v0 = (23)radic
2ag Iskana krivulja je torej Neilova
parabola Ime izohrona je dobila zato ker točkasta masa po vertikali
v enakih časih prepotuje enake razdalje V grščini beseda ἴσος pomeni
rdquoenakrdquo χρόνος pa rdquočasrdquo
Dolžina ` zanke krivulje K nas pripelje do zapletenega eliptičnega in-
tegrala za katerega zapišimo približno vrednost
` = 2aint1
0
radic9t4 minus2t2 +1dt ≐ 271559186a
Pač pa je dolžina loka ` četrtkubične parabole Ks ogrinjače premic s bolj
prijazna Za dolžino loka od točke D ki ustreza parametru t = 0 do točke
ki ustreza parametru t = α dobimo
` = 12aintα
0t2
radic1+ t2dt =
3a2
(α(1+2α2)radic
1+α2 minus ln(α +radic
1+α2))
Prav tako dolžina loka ` navadne parabole Kq ogrinjače premic q ne
dela težav Za dolžino loka od točke D ki ustreza parametru t = 0 do
točke ki ustreza parametru t = α dobimo
` = 2aintα
0
radic1+ t2dt = a(α
radic1+α2 + ln(α +
radic1+α2))
Za spremljajočo parabolo dobimo prav tako enostaven rezultat za ločno
dolžino od točke O do točke ki ustreza parametru t = α
` = intα
0
radic1+4t2dt =
a4(2α
radic1+4α2 + ln(2α +
radic1+4α2))
Nazadnje zapišimo še ločno dolžino polkubične parabole Kr
` = 6aintα
0tradic
1+ t2dt = 2a((1+α2)radic
1+α2 minus1)
41
Pri vseh zgornjih primerih je parameter t strmina premice p v prvotni
konstrukciji krivulje K
Ploščine in prostornine
Ploščina S lika ki ga omejuje zanka krivulje K je
S =2radica int
a
0xradicaminusxdx
Z uvedbo nove integracijske spremenljivke t z relacijo aminusx = t2 je
S =4radica int
radica
0t2(aminus t2)dt =
4radica int
radica
0(at2 minus t4)dt =
8a2
15
Lahko pa jo izrazimo tudi s splošno formulo ki smo jo izpeljali na začetku
razdelka S to formulo lahko izrazimo še prostornino V telesa ki ga pri
rotaciji okoli osi x opiše lik
V =πa int
a
0x2(aminusx)dx =
πa3
12
To je ravno polovica prostornine krogle s premerom a
Pač pa je izraz za ploščino S prime lika ki ga omejuje zanka krivulje Kprime bolj
zapleten izraz Uporabimo parametrični enačbi (4) in dobimo
S prime = int1
0(x(t)y(t)minus x(t)y(t))dt = 2a2
int
1
0
(1minus t2)3(1+2t2 minus3t4)(9t4 minus2t2 +1)2 dt
Če se zanesemo na računalniško računanje določenih integralov potem je
S prime =2a2
729(3(43πminus28)+52
radic2ln(1+
radic2))
kar je približno S prime ≐ 1059206796a2 Do enakega rezultata pridemo z
navidez enostavnejšo formulo
S prime = 2inta
0y(x)dx
42
toda drugim težjim integralom
S prime = 2int0
1y(t)x(t)dt = minus8a2
int
1
0
t2(1minus t2)3(3t2 +1)(9t4 +2t2 minus3)(9t4 minus2t2 +1)3 dt
Zakaj smo integrirali po parametru t od 1 do 0 Zato ker abscisa x narašča
od 0 do a ko t pada od 1 do 0 Ordinata y pa je pri tem nenegativna (glej
izraza (4))
Tudi izraz za prostornino V prime telesa ki ga pri rotaciji okoli osi x opiše
lik omejen s Kprime je navidez enostaven
V prime =πinta
0y2(x)dx
toda s parametrom t je zapleten a eksaktno izračunljiv
V prime =πint0
1y2(t)x(t)dt = 8πint
1
0
t3(t2 minus1)5(3t2 +1))(9t4 +2t2 minus3)(9t4 minus2t2 +1)4 dt
Za rezultat dobimo
V prime =2πa3
19683(431π
radic2+369+744ln2)
kar je približno V prime ≐ 08936800975a3
Naj bo s tem računanja integralov dovolj V nadaljevanju se bomo
posvetili nekaterim lažjim problemom
Tangenta
Pri krivuljah v koordinatnem sistemu Oxy so pomembni štirje dotikalni
elementi za posamezne točke T odsek na tangenti ∣TA∣ odsek na normali
∣T B∣ subtangenta ∣AT prime∣ in subnormala ∣BT prime∣ (slika 23) Izražajo se takole
∣TA∣ = ∣y
yprime
radic
1+yprime2∣ ∣T B∣ = ∣yradic
1+yprime2∣ ∣T primeA∣ = ∣y
yprime∣ ∣T primeB∣ = ∣yyprime∣
43
Slika 22 Ploščini likov omejenih z zankama krivulj K in Kprime
Pri tem pomeni yprime = f prime(x) če je enačba krivulje y = f (x) Točka T prime je pra-
vokotna projekcija točke T na abscisno os A je presečišče tangente na
krivuljo v točki T z osjo x B pa presečišče normale z osjo x Dotikalni
elementi so posebej definirani tudi za krivulje v polarnih koordinatah
Slika 23 Dotikalni elementi krivulje
De Sluse je za algebrsko krivuljo f (xy) = 0 po svoje našel izraz za sub-
tangento ts to je pravokotno projekcijo odseka na tangenti
44
na os x V današnji pisavi se subtangenta izraža v obliki
ts = minusy
partfparty (xy)
partfpartx (xy)
Za krivuljo K je f (xy) = ay2 minusx2(aminusx) = 0 in
ts =2x(xminusa)3xminus2a
Lotimo se še konstrukcije tangente t in normale n naK v točki T0(x0y0) ne
O ki enolično določa točko A(aay0x0) kot presečišče premice p skozi O
in T0 s premico x = a Skozi A povlecimo vzporednico nprime z normalo n na K
v točki T0 Normala ima smerni koeficient kn = tsy0 oziroma
kn =
partfparty (x0y0)
partfpartx (x0y0)
=2ay0
x0(3x0 minus2a)
Premica nprime ima enačbo
y minusay0
x0=
2ay0
x0(3x0 minus2a)(xminusx0)
in preseka abscisno os v točki T1(x10) za katero po krajšem računu do-
bimo x1 = 2a minus 3x02 Točko T1 in premico nprime zlahka geometrijsko kon-
struiramo Iskana tangenta t v točki T0 je pravokotna na nprime normala n pa
vzporedna z nprime (slika 24)
Inverzija krivulje K na krožnici
Po navadi za ravninske krivulje pogledamo še njihove inverzne slike na
krožnici Inverzija ali zrcaljenje na krožnici x2 + y2 = r2 je ravninska pres-
likava ι definirana s predpisom
ι ∶ (xy)↦ (r2x
x2 +y2 r2y
x2 +y2)
45
Slika 24 Tangenta in normala na krivuljo K
S spreminjanjem polmera r krožnice dobimo med seboj podobne krivulje
Če zrcalimo na krožnici x2 + y2 = a2 krivuljo K ki ima implicitno enačbo
(2) dobimo krivuljo Klowast ki ima enačbo
y4 = minusx3(aminusx)
ki je formalno oblike (2) zam = 4n = 3p = 1 in k = minus1 Dobljena krivuljaKlowast
je simetrična glede na os x ima dve veji abscisa na njej doseže ekstremni
vrednosti v točkah O(00) in D(a0) Ima pa kot bomo videli tudi dve
asimptoti y = xminusa4 in y = minusx+a4 (slika 25)
Krivuljo Klowast se da lepo parametrizirati s parametrom τ če v njeno
enačbo y4 = minusx3(aminusx) vstavimo y = τx Dobimo
x(τ) =a
1minusτ4 y(τ) =aτ
1minusτ4
To sta parametrični enačbi krivulje Klowast
Ko τ uarr minus1 x(τ)rarr minusinfin in y(τ)rarr +infin ko τ darr minus1 x(τ)rarr +infin in y(τ)rarr minusinfin
ko τ uarr +1 x(τ)rarr +infin in y(τ)rarr +infin ko τ darr +1 x(τ)rarr minusinfin in y(τ)rarr minusinfin
46
Slika 25 Inverzna slika Klowast krivulje K
Konstanti k in n poševne asimptote y = kx + n krivulje Klowast dobimo s
formulama
k = limxrarrplusmninfin
y
x n = lim
xrarrplusmninfin(y minus kx)
V našem primeru je
k = limxrarrplusmninfin
y
x= limτrarrplusmn1
τ = plusmn1 n = a limτrarrplusmn1
τ ∓11minusτ4 = ∓
a4
Poševni asimptoti sta torej premici y = plusmn(xminusa4)
Obnašanje krivulje v okolici točke D utemeljimo če zapišemo impli-
citno obliko krivulje nekoliko drugače
y4 = (xminusa)x3 = (xminusa)(a+(xminusa))3 = a3(xminusa)+3a2(xminusa)2+3a(xminusa)3+(xminusa)4
47
Slika 26 Krivulja Klowast in približka v okolici točk O in D
Za x ki je zelo blizu a prevlada na desni prvi člen tako da je y4 asymp a3(xminusa)
Razlika xminusa se torej obnaša približno tako kot bikvadrat ordinate y
V okolici točke O kjer so abscise negativne iz istega razloga velja y4 asymp
minusax3 zato se tam krivulja obnaša približno tako kot četrtkubična parabola
(slika 26)
Inverzija krivulje Kprime na krožnici
Na krožnici x2 + y2 = a2 zrcalimo še krivuljo Kprime nožiščno krivuljo krivulje
K glede na točko O Dobimo dvodelno krivuljo Kprimelowast kakršno vidimo na
sliki 27
Enačba nove krivulje v implicitni obliki je
4(x2 minusy2)2 minus4ax(x2 minus9y2)minus27a2y2 = 0
48
Slika 27 Inverzna slika Kprimelowast krivulje Kprime
Krivulja je algebrska četrte stopnje je simetrična glede na os x ima ost
z vodoravno tangento v točki O skozi točko D pa poteka v blagem loku
Natančneje ugotovimo približni potek krivulje v okolici teh dveh točk če
v zgornji enačbi obdržimo prevladujoče člene V okolici točke O kjer so
abscise negativne je ay2 asymp minus4x327 torej približno tako kot polkubična
parabola V okolici točke D(a0) je y2 asymp minus4a(x minus a) kar pomeni da se
krivulja obnaša približno tako kot parabola
Pritisnjeni krožnici na K
Pritisnjeni krožnici v točki O na krivuljo K sta inverzni sliki asimptot
krivulje Klowast na krožnici x2 + y2 = a2 Preprost račun pokaže da se asimp-
toti krivulje Klowast z inverzijo ι preslikata v krožnici x2 + y2 plusmn4ay minus4ax = 0 ki
imata središči v točkah Splusmn(2aplusmn2a) in polmer 2aradic
2 Sekata se pavokotno
v točkah O in M(4a0) Inverzija ι namreč ohranja kote (slika 28)
49
Slika 28 Pritisnjeni krožnici na krivuljo K v točki O
Ukrivljenost κ(t) krivulje K v točki ki ustreza parametru t brez težav
izračunamo iz njenih parametričnih enačb (3)
κ(t) =2(3t2 +1)
a(1minus2t2 +9t4)32
V posebnem primeru je v točki O to se pravi za t = plusmn1 ukrivljenost enaka
κ(plusmn1) = 1(2aradic
2) zato sta v O polmera pritisnjenih krožnic 1κ(plusmn1) =
2aradic
2 kar se seveda ujema z rezultatom dobljenim z inverzijo na krožnici
Toksoida
Videli smo da je inverzna slika krivulje K krivulja Klowast ki ima enačbo y4 =
minusx3(aminusx) ki je formalno oblike (2) zam = 4n = 3p = 1 in k = minus1 Prav tako
je krivulja ay2 = minusx2(aminus x) ki jo dobimo iz enačbe ay2 = x2(aminus x) krivulje
K če zamenjamo aminus x z x minus a formalno oblike (2) za m = 2n = 2p = 1 in
50
k = minus1a Krivuljo označimo jo s T ki ima enačbo
ay2 = x2(xminusa)
je nemški amaterski matematik samouk in izumitelj Diedrich (tudi Diede-
rich) Uhlhorn (1764ndash1837) imenoval rdquotoksoidardquo V svojem delu [13] obrav-
nava več krivulj in za nekatere tudi opiše mehanske naprave s katerimi
se jih da risati pa tudi njihovo uporabo pri reševanje enačb Beseda rdquotok-
soidardquo izvira iz dveh grških τόξον kar pomeni rdquolokrdquo (kot orožje) pa tudi
rdquopuščicardquo in εἶδος kar med drugim pomeni rdquooblika podobardquo D Uhlhorn
je imenoval krivuljo v nemščini rdquoBogenlinierdquo ker nemški samostalnik rdquoBo-
genrdquo pomeni prav tako rdquolokrdquo Iz besede τόξον smo dobili tudi besede ki
so povezane s strupi kajti bojne puščice so bile često zastrupljene
Slika 29 Toksoida
Toksoida ima tudi izolirano točkoO(00) saj njeni koordinati zadoščata
implicitni enačbi
Iz implicitne enačbe toksoide dobimo z zamenjavo y = tx njeni parametri-
čni enačbi
x(t) = a(1+ t2) y(t) = at(1+ t2) (5)
ki pa ne vključujeta izolirane točke O
51
Toksoida je algebrska krivulja tretje stopnje simetrična glede na os x
ki jo preseka za t = 0 v točki D(a0) kjer ima navpično tangento Krivulja
na prvi pogled ni nič posebnega a že D Uhlhorn je pokazal kako se kon-
struira njene posamezne točke in kako se z njo podvoji kocko
Slika 30 Konstrukcija točk toksoide
Do točke T na toksoidi pridemo takole V koordinatnem sistemu Oxy
za pozitiven a določimo točko D(a0) in skoznjo konstruiramo pravokot-
nico na os x torej premico x = a (slika 30) Na tej premici izberemo točko
A ki jo bomo spreminjali da bomo dobili krivuljo Skozi O in A nato
načrtamo premico p v A pa nanjo pravokotnico q ki seka abscisno os v
točki B V B postavimo na abscisno os pravokotnico r ki preseka premico
p v točki T Ko A potuje po premici x = a točka T opiše toksoido T brez
izolirane točke O
Da res dobimo toksoido T je treba samo zapisati enačbi y = tx premice
p in y = minus(x minus a)t + at premice q ter točki A(aat) in B(a(1 + t2)0) ter
T (a(1+t2)at(1+t2)) Koordinati točke T pa res dasta paramatrični enačbi
52
toksoide
Slika 31 Konstrukcija srednjih geometrijskih sorazmernic s toksoido
Iz podobnih trikotnikov ODA OAB in OBT na sliki 30 sledi relacija
∣OD ∣
∣OA∣=∣OA∣
∣OB∣=
∣OB∣∣OT ∣
kar pomeni da sta ∣OA∣ in ∣OB∣ srednji geometrijski sorazmernici daljic
∣OD ∣ = a in ∣OT ∣ = b Zato lahko izrazimo ∣OA∣ =3radica2b in ∣OB∣ =
3radicab2 na isti
način kot pri (3)
Če imamo že načrtano toksoido T potem srednji geometrijski sorazmer-
nici za a in b gt a dobimo tako da poiščemo presečišče T krožnice s sredi-
ščem v O skozi točko C(b0) in na zgoraj opisan način poiščemo premice
pq in r ter točki A in B (slika 31) Za b = 2a na ta način rešimo problem
podvojitve kocke ∣OA∣ = a 3radic
2
Ukrivljenost κ(t) toksoide T v točki ki ustreza parametru t brez težav
53
izračunamo iz njenih parametričnih enačb (5)
κ(t) =2(3t2 minus1)
a(1+10t2 +9t4)32
Opazimo da ukrivljenost menja predznak pri t = plusmn1radic
3 kar nam da točki
Pplusmn(4a3plusmn4aradic
39) v katerih ima T prevoja s tangentama s smernima koe-
ficientoma plusmnradic
3 Tangenti oklepata z osjo x kota plusmnπ3 Pritisnjena krožnica
v točki D ki ustreza t = 0 ima za polmer 1∣κ(0)∣ = a2 in središče v točki
S(3a20) (slika 32)
Slika 32 Prevoja toksoide T in pritisnjena krožnica v točki D
Prevoja sta konstruktibilna pri čemer si lahko pomagamo z vesico pis-
cis nad daljico OD Njeni točki Vplusmn sta narazen za aradic
3 premici skozi O
in Vplusmn pa določata smeri tangent v prevojih Prav tako je konstruktibilna
točka S V okolici točk D in Pplusmn je ujemanje toksoide s pritisnjeno krožnico
v D in tangentama v prevojih Pplusmn zelo dobro
54
Enačba toksoide T v polarnih koordinatah in ϕ je
(ϕ) =a
cos3ϕ
kar sledi iz njene implicitne oblike
a(x2 +y2) = x3
Pri tem je treba le upoštevati zvezi x2 +y2 = 2 in x = cosϕ
Polarna oblika je zelo primerna za študij inverzije na krožnici s središčem
v točki O in polmerom R Če je namreč lowast polarni polmer invertirane
krivulje mora veljati relacija
(ϕ)lowast(ϕ) =R2
Če izberemo R = a dobimo za inverzno sliko toksoide T krivuljo (slika 33)
T lowast ki ima nasledno enačbo v polarnih koordinatah
lowast(ϕ) = acos3ϕ
Slika 33 Inverzna slika T lowast toksoide T
55
Iz polarne oblike krivulje T lowast hitro izpeljemo še njeno implicitno enačbo
(x2 +y2)2 = ax3
Torej je T lowast algebrska krivulja četrte stopnje
Ploščino S lika ki ga ograjuje krivulja T lowast izračunamo po znani for-
muli
S = 2 sdot12 int
π2
0lowast2(ϕ)dϕ = a2
int
π2
0cos6ϕdϕ = a2 sdot
56
sdotπ2=
5πa2
32
Krivulja T lowast je simetrična glede na os x v točkah O in D ima navpični
tangenti največji odklon od osi x pa doseže v točkah Yplusmn(9a16plusmn3aradic
316)
kjer ima vodoravni tangenti in sicer pri polarnih kotih plusmnπ6
De Slusove pomnoževalke hiperkock
Podvojitev kocke je kot vemo klasični grški geometrijski problem ki se ga
ne da rešiti evklidsko to je samo z neoznačenim ravnilom in šestilom kar
so dokazali šele v 19 stoletju Problem zahteva določiti rob kocke ki ima
prostornino enako dvakratniku prostornine dane kocke To pomeni da
je treba za dano daljico a konstruirati tako daljico b za katero je b = a 3radic
2
Problem podvojitve kocke so Grki znali rešiti na več načinov Eden od njih
je možen s posebno ravninsko krivuljo z Dioklovo cisoido (več na primer
v [7])
Povsem smiselno se je vprašati kako bi pomnožili s faktorjem s gt 0
poljubno r-razsežno hiperkocko z robom a Njena prostornina je ar zato
je b = a rradics rob hiperkocke katere prostornina je s-kratnik prostornine
hiperkocke z robom a Dva primera sta trivialna Za r = 1 imamo daljico
56
njena rdquoprostorninardquo je kar njena dolžina a za r = 2 pa kvadrat čigar rdquopros-
torninardquo je kar njegova ploščina a2 Za r = 3 imamo opraviti z običajno
kocko z običajno prostornino a3 V prvih dveh primerih množenje s fak-
torjem s ni problematično saj s problemom lahko geometrijsko rešimo s
podobnimi trikotniki in z višinskim izrekom v pravokotnem trikotniku
Za r ge 4 si r-razsežno hiperkocko teže predstavljamo ker je ne moremo
realizirati z običajno geometrijo To pa ni ovira pri pomnožitvi take hiper-
kocke s številom s ker moramo znati samo njen rob a geometrijsko pom-
nožiti s številom rradics kar pa lahko naredimo v običajni ravnini V mate-
matični analizi je r-razsežna hiperkocka z robom a na primer kar r-kratni
kartezični produkt intervala [minusa2a2] s samim seboj to je množica
[minusa2a2]r = (x1x2 xr) isinRr ∶ ∣x1∣ le a2 ∣x2∣ le a2 ∣xr ∣ le a2
Oglejmo si de Slusove perle (2) z eksponenti mn =mminus 1 in p = 1 fak-
torjem k = 1 ter a gt 0 pri čemer je m sodo število to se pravi krivulje z
implicitno enačbo
ym = xmminus1(aminusx) (6)
oziroma xm + ym = axmminus1 Pri danem m označimo ustrezno krivuljo s Hm
Med njimi je tudi stara znanka x2 + y2 = ax krožnica s polmerom a2
in središčem v točki S(a20) Skupne vsem krivuljam so točke O(00)
Cplusmn(a2plusmna2) D(a0) ter navpični tangenti v O in D Krivulje Hm so za-
ključene in simetrične glede na os x in se dajo lepo parametrizirati z y = tx
Za vsako dobimo parametrično enačbo
x(t) =a
1+ tm y(t) =
at1+ tm
(7)
Najbolj se taka krivulja oddalji od abscisne osi za t = 1 mradicmminus1 v točkah
Yplusmn(a(mminus1)mplusmnam mradic
(mminus1)mminus1) Za t = 0 dobimo točko D za ∣t∣rarrinfin pa
57
se krivulja bliža točki O Slika 34 kaže nekaj primerov
Slika 34 Nekaj krivulj Hm
Naj bo s poljubno pozitivno število in A(0as) točka na osi y Premica
skozi A in D preseka krivuljo Hm v točkah D(a0) in B(x0y0) za katero
potrebujemo samo razmerje y0x0 Na sliki 35 je izbran eksponent m = 4
Premica skozi A in D ima enačbo xa+sya = 1 iz katere izrazimo aminusx = sy
in vstavimo v enačbo (6) Dobimo ym = ysxmminus1 Ker iščemo točko B s
pozitivno ordinato lahko z y krajšamo in dobimo y0x0 =mminus1radics
Premica skozi O in B ima enačbo y = y0xx0 in preseka premico x = a
v točki C(aay0x0) oziroma C(aa mminus1radics) Zato je ∣DC∣ = ∣OD ∣ mminus1
radics) V
primeru m = 4 in s = 2 je ∣DC∣ = ∣OD ∣3radic
2) kar pomeni da se nam je pos-
rečilo podvojiti trirazsežno kocko Za s = 3 kocko potrojimo za s = 4
početverimo itd Še več zam = 6 in s = 2 podvojimo 5-razsežno hiperkocko
58
za s = 3 jo potrojimo za s = 4 početverimo itd
Slika 35 Krivulja H4 in pomnožitev roba trirazsežne kocke
Lihih m nam ni treba posebej obravnavati ker krivulje Hm ne bi bile
prave de Slusove perle Poleg tega bi tedaj bil mminus 1 sodo število denimo
m minus 1 = 2αq z naravnim α in lihim q Korenjenje se potem da izvesti z
α-kratnim kvadratnim korenjenjem in enim q-tim korenjenjem s krivuljo
Hq+1 kakor smo zgoraj opisali
Drug način za pomnožitev hiperkock poteka s cisoidami Cm krivuljHm
in premice x = a Pri parametru t premica y = tx preseka premico x = a
v točki C(aat) točka B pa ima tedaj koordinati dani z parametričnima
enačbama (7) S koordinatami točk B in C imamo takoj
ETHBC = (aminus
a1+ tm
at minusat
1+ tm) = (
atm
1+ tmatm+1
1+ tm)
59
Slika 36 Nekaj krivulj Cm
Da bo točka T na cisoidi Cm mora veljati zvezaETHOT =
ETHBC Potemtakem ima
Cm parametrični enačbi
x(t) =atm
1+ tm y(t) =
atm+1
1+ tm (8)
Ker je t = yx dobimo še implicitno enačbo krivulje Cm
xm+1 = ym(aminusx) (9)
oziroma x(xm+ym) = aym Krivulje so za sodem definirane nad intervalom
60
[0a) so simetrične glede na os x imajo za asimptoto premico x = a in
potekajo skozi koordinatno izhodišče O in točki Cplusmn(a2plusmna2) Asimptoti
se krivulja bliža ko ∣t∣ rarr infin V točki O pri t = 0 imajo ost z vodoravno
tangento Za m = 2 dobimo staro znanko Dioklovo cisoido
Slika 37 Krivulja C4 in pomnožitev roba 5-razsežne hiperkocke
Izberimo sedaj na ordinatni osi točko A(0as) pri čemer je s pozi-
tivno število in vzemimo premico skozi točki A in D (slika 37) Ta ima
enačbo xa + y(as) = 1 iz katere izrazimo a minus x = ys Premica preseka
cisoido Cm v točki M(x0y0) s pozitivno ordinato Iz enačb premice skozi
A in D in (9) dobimo y0x0 = m+1radics Premica skozi točki O in M ima
enačbo y = y0xx0 in preseka premico x = a v točki E(aa m+1radics) Torej velja
61
zveza ∣DE∣ = ∣OD ∣ m+1radics kar pomeni da smo našli rob (m + 1)-razsežne
hiperkocke ki ima za prostornino s-kratnik prostornine dane (m + 1)-
razsežne hiperkocke
Naj bo Sm ploščina lika ki ga omejuje krivulja Hm in Qm ploščina
neomejenega lika ki ga omejuje krivulja Cm z asimptoto Ni ju težko
izraziti
Pm =a2(mminus1)πm2 sin π
m Qm =
a2(m+1)πm2 sin π
m
Nadalje naj bo Vm prostornina telesa ki nastane z rotacijo krivulje Hm
okoli osi x Wm pa prostornina neomejenega telesa ki nastane z rotacijo
krivulje Cm okoli osi x Prav tako ju ni težko izraziti
Vm =2a3(mminus1)(mminus2)π2
3m3 sin 2πm
Wm =2a3(m+1)(m+2)π2
3m3 sin 2πm
Ploščine in prostornine so poleg drugega zanimale že matematike v
17 stoletju zlasti C Huygensa Izračunajmo prostornino telesa Um ki
nastane z rotacijo lika med cisoido in njeno asimptoto okoli te asimptote
(slika 38) Uporabili bomo sodobne zapise in Eulerjevi funkciji B in Γ ki
ju C Huygens še ni mogel poznati Presek nastalega telesa na višini y je
krog s polmerom aminusx in ploščino π(aminusx)2 Upoštevamo še simetrijo lika
glede na os x uporabimo parametrično obliko (8) in nastavimo integral
Um = 2πintinfin
0(aminusx(t))2y(t)dt = 2πa3
int
infin
0
tm(tm +m+1)(1+ tm)4 dt
ki ga lahko izrazimo v obliki
Um = 2πa3(I2 + (mminus1)I3 minusmI4)
pri čemer je
Ik = intinfin
0
dt
(1+ tm)k
62
ki ima za m ge 2 in k ge 1 končno vrednost S substitucijo u = 1(1 + tm)
dobimo
Ik =1m int
1
0ukminus1minus1m(1minusu)1mminus1du =
1m
B(kminus1m1m) =Γ(k minus1m)Γ(1m)
mΓ(k)
Na koncu je rezultat zelo preprost
Um =2π2a3(m2 minus1)
3m3 sin πm
Prve tri prostornine so
U2 =π2a3
4 U4 =
5radic
2π2a3
32 U6 =
35π2a3
162
Slika 38 Telo nastalo z zasukom lika med krivuljo C2 in njeno asimptoto
okoli te asimptote
Izračunajmo prostornino telesa Um ki nastane z rotacijo lika med cisoido
in njeno asimptoto okoli osi y (slika 39) Presek nastalega telesa na višini y
63
je krožni kolobar z notranjim polmerom x in zunanjim polmerom a ki ima
ploščino π(a2minusx2) Upoštevamo še simetrijo lika glede na os x uporabimo
parametrično obliko (8) in nastavimo integral
Um = 2πintinfin
0(a2 minusx2(t))y(t)dt = 2πa3
int
infin
0
tm(tm +m+1)(2tm +1)(1+ tm)4 dt
ki ga lahko izrazimo z zgoraj vpeljanimi integrali Ik v obliki
Um = 2πa3(2I1 + (2mminus3)I2 minus (3mminus1)I3 +mI4)
Na koncu dobimo za rezultat
Um =2π2a3(m+1)(2m+1)
3m3 sin πm
Prve tri prostornine so
U2 =5π2a3
4 U4 =
15radic
2π2a3
32 U6 =
91π2a3
162
V 17 stoletju so se zanimali tudi za težišča homogenih likov in teles
Lik ki ga omejuje krivulja Hm ima težišče na abscisni osi oddaljen za xT
od osi y Da bi lahko poiskali xT moramo najprej izračunati za ta lik
moment
Mm = 2inta
0xy dx = 2int
0
infinx(t)y(t)xdt = 2a3mint
infin
0
tm
(1+ tm)4 dt
Izrazimo z integrali Ik in dobimo
Mm = 2a3m(I3 minus I4) =πa3(mminus1)(2mminus1)
3m3 sin πm
Abscisa težišča lika je potem kvocient momenta Mm in ploščine Sm
xT =(2mminus1)a
3m
64
Slika 39 Telo nastalo z zasukom lika med krivuljo C2 in njeno asimptoto
okoli osi y
Lik omejen s krivuljo Cm ima težišče na abscisni osi oddaljen za xC
od osi y Da bi poiskali xC uporabimo kar PaposndashGuldinovo pravilo za
prostornino vrtenine
2πxC sdotQm = Um
kjer je Qm ploščina lika ki ga rotiramo okoli osi y Rezultat je proti vsem
pričakovanjem zelo preprost
xC =(2m+1)a
3m
Poznoantični matematik Papos iz Aleksandrije (290ndash350) v grščini Πάπ-
πος ὁ Αλεξανδρεύς v latinščini Pappus je pomemben ker je zbral prak-
tično vse dotakratno matematično znanje Grkov in dodal še marsikaj svo-
65
jega Njegovo najpomembnejše delo je rdquoZbirkardquo v grščini Συναγωγή Uk-
varjal se je tudi s klasičnimi grškimi geometrijskimi problemi
Jezuit Paul Guldin (1577ndash1643) je bil švicarski matematik in astronom
profesor matematike na Dunaju in v Gradcu Pred tem je študiral v Rimu
Skupaj s Paposom je znan
po pravilih za izračun prostornine rotacijskega telesa in površine rotacij-
ske ploskve
Slika 40 Telo nastalo z zasukom lika ki ga omejuje H4 okoli osi y
ProstorninaXm vrtenine ki nastane z rotacijo lika omejenega s krivuljo
Hm okoli osi y je po PaposndashGuldinovem pravilu za prostornino enaka
Xm = 2πxT sdot Pm = 2π(2mminus1)a
3msdota2(mminus1)πm2 sin π
m=
2π2a3(2mminus1)(mminus1)3m3 sin π
m
Slika 40 kaže vrtenino za primer krivulje H4 Podobne slike bi dobili tudi
za druge Hm
Če isti lik rotiramo okoli premice x = a tangente na krivuljo Hm v
točki D dobimo vrtenino s prostornino Ym ki jo izračunamo prav tako
66
po PaposndashGuldinovem pravilu za prostornino in dobimo
Ym = 2π(aminusxT ) sdot Pm = 2π(m+1)a
3msdota2(mminus1)πm2 sin π
m=
2π2a3(m2 minus1)3m3 sin π
m
Opazimo da je prostornina Ym enaka prostornini Um telesa ki nastane
z rotacijo lika med krivuljo Cm in njeno asimptoto okoli te asimptote
Dokler ni bil razvit infinitezimalni račun kakršnega poznamo danes
so računali ploščine težišča prostornine in površine za vsak primer pose-
bej Veliko so se v 17 stoletju pa tudi že prej znani matematiki ukvarjali
s cikloido na primer N Kuzanski M Mersenne G Galilei G P de Rober-
val C Wren G Cardano B Pascal I Newton G W Leibniz C Huygens
je neko njeno lastnost uporabil pri izdelavi ure na nihalo
Evdoksova kampila
Oglejmo si naslednjo konstrukcijo točk krivulje V točki D(a0) pri čemer
je a gt 0 postavimo pravokotnico p na abscisno os Na p izberemo točko
A ki jo bomo kasneje premikali po tej premici Skozi O in A načrtamo
premico q in skozi A krožnico s središčem v koordinatnem izhodišču O
Krožnica preseka abscisno os v točkah B in Bprime ki sta simetrični glede na
točko O V B in Bprime konstruiramo pravokotnici r in rprime na os x ki presekata
p v točkah T in T prime ki sta tudi simetrični glede na točko O Ko teče točka
A po premici p opišeta T in T prime dvodelno krivuljo ki so jo poimenovali
rdquoEvdoksova kampilardquo Točka T opiše njeno desno vejo T prime pa levo Krivulja
je očitno simetrična glede na obe koordinatni osi (slika 41)
Enačbo desne veje dobljene Evdoksove kampile je najlaže najprej izraz-
iti v polarnih koordinatah nato pa še v implicitni obliki v pravokotnih
67
Slika 41 Konstrukcija točk Evdoksove kampile
kartezičnih koordinatah Za polarni kot ϕ vzamemo naklonski kot pre-
mice q za polarni radij pa razdaljo ∣OT ∣ (slika 41) Najprej očitno veljata
zvezi ∣OA∣ = ∣OD ∣cosϕ = acosϕ in = ∣OT ∣ = ∣OB∣cosϕ = ∣OA∣cosϕ iz
katerih dobimo = acos2ϕ tako da je nazadnje pri pogoju minusπ2 ltϕ ltπ2
polarna enačba desne veje Evdoksove kampile
(ϕ) =a
cos2ϕ (10)
Obe veji krivulje imata implicitno obliko
a2(x2 +y2) = x4 (11)
ki jo dobimo iz polarne oblike z upoštevanjem zvez 2 = x2 + y2 in cosϕ =
x Krivulja v obliki (11) ima izolirano točko O(00) ki je posledica del-
jenja z ki je lahko tudi enak 0 Evdoksova kampila je algebrska krivulja
četrte stopnje
Z Evdoksovo kampilo se da podvojiti kocko Načrtamo krožnico s
središčem v točkiD in polmerom a Njena enačba je x2+y2 = 2ax Vstavimo
68
Slika 42 Podvojitev kocke z Evdoksovo kampilo
2ax namesto x2 + y2 v (11) in dobimo enačbo x4 minus2a3x = x(x3 minus2a3) = 0 ki
ima realni rešitvi x0 = 0 in x1 = a 3radic
2 V prvem kvadrantu se krožnica in
Evdoksova kampila sekata v točki T (a 3radic
2aradic
2 3radic
2minus 3radic
4) kar pomeni da
ima točka T absciso
∣T0T ∣ = b = a 3radic2
Kocka z robom b ima prostornino b3 = 2a3 torej dvakratnik prostornine
kocke z robom a
Grška beseda καμπύλος pomeni rdquokriv zavit upognjenrdquo v ženski ob-
liki καμπύλη beseda γραμμή pa rdquočrta potezardquo Polno ime krivulje je v
grščini καμπύλη γραμμή torej rdquokriva črtardquo na kratko so jo poimenovali kar
rdquokampilardquo kateri so dodali še Evdoksovo ime Evdoks iz Knida (408ndash355
pnš) Εὔδοξος ὁ Κνίδιος je bil starogrški matematik in astronom Bil je
Arhitov učenec v Tarentu grško Τάρας in Platonov na Akademiji v Ate-
nah Obiskal je tudi Sicilijo in Egipt Kasneje je ustanovil svojo šolo v
Kiziku grško Κύζικος ob Mramornem morju ali Propontidi grško Προ-
ποντίς Pomemben je njegov doprinos v teoriji razmerij in nesoizmerljivih
količin kar je uporabil Evklid Εὐκλείδης v svojih Elementih Στοιχεῖα
69
Grška beseda εὔδοξος pomeni med drugim rdquosloveč slaven ugledenrdquo
V astronomiji je Evdoks zagovarjal geocentrični svetovni sistem in za
pojasnitev gibanja planetov in Lune uvedel sistem koncentričnih sfer ki
se vrtijo ena v drugi S tem v zvezi je uvedel še eno krivuljo ki jo poznamo
pod imenom rdquoEvdoksova hipopedardquo
Problem podvojitve kocke je na svojevrsten način s torusom valjem
in stožcem rešil pitagorejec in vojaški poveljnik Arhitas iz Tarenta v južni
Italiji grško Αρχύτας ὁ Ταραντίνος rojen med letoma 435 in 410 umrl
pa med letoma 360 in 350 pnš Morda je Evdoks Arhitovo prostorsko
rešitev problema podvojitve kocke poenostavil na reševanje v ravnini in
tako prišel do svoje kampile Dokazano to ni nikjer ve se le da mu je
rešitev uspelo najti z neko krivuljo Način reševanja pa je podoben reše-
vanju z Uhlhornovo toksoido ki ima tudi podobno enačbo v polarni obliki
(ϕ) = acos3ϕ
Tako Uhlhornova toksoida kot Evdoksova kampila spadata v skupino
Clairautovih krivulj = acosnϕ ali = asinnϕ Če je n racionalno število
je Clairautova krivulja algebrska Alexis Claude Clairaut (1713ndash1765) je
bil francoski matematik in astronom
Evdoksovo kampilo brez izolirane toke O parametriziramo kar s po-
larnim kotom
x(ϕ) =a
cosϕ y(ϕ) =
asinϕcos2ϕ
Njena ukrivljenost κ(ϕ) se izraža v obliki
κ(ϕ) =cos3ϕ(3sin2ϕ minus1)
a(3sin2ϕ +1)32
Ukrivljenost spremeni predznak pri kotu ϕ za katerega je 3sin2ϕ minus1 = 0
V takih točkah ima krivulja prevoje Evdoksova kampila ima štiri in sicer
70
Slika 43 Desna veja Evdoksove kampile prevoja in pritisnjena krožnica
v točkah (plusmnaradic
62plusmnaradic
32) Strmini tangent v teh točkah sta plusmn2radic
2 Os x
presekata za desno vejo v točki G(3aradic
680) Krivinski polmer v točkah
D inDprime je enak a Središče pritisnjene krožnice v točkiD je v točki S(2a0)
Približno ujemanje krivulje tangent v prevojih Pplusmn in pritisnjene krožnice v
temenu D kaže slika 43 Ujemanje bi lahko izkoristili za približno podvo-
jitev kocke Če namesto Evdoksove kampile vzamemo kar njeno tangento
y = 2radic
2(xminusaradic
62)+aradic
32
v prevoju v prvem kvadrantu in poiščemo absciso ξ presečišča s krožnico
x2 +y2 = 2ax dobimo
ξa=
118
radic
24radic
6minus23+
radic6
3+
19≐ 1259956951
namesto točnejše vrednosti
3radic
2a
≐ 1259921049
71
Če bi podoben račun naredili za Uhlhornovo toksoido ki se v prevojih
tudi približno ujema s tangentama bi dobili slabši rezultat
Zgoraj opisani približek lahko izkoristimo za precej natančno evklid-
sko konstrukcijo roba b podvojene kocke z robom a V koordinatnem sis-
temu Oxy narišemo krožnico s polmerom a s središčem v točki D(a0)
skozi O pa konstruiramo premico p z naklonskim koeficientom k = 2radic
2
Na abscisni osi konstruiramo točkoG(3aradic
680) in skoznjo premico q vz-
poredno s p Presečišče te premice s krožnico je točka T njena pravokotna
projekcija na os y pa točka T0 Razdalja b = ∣T0T ∣ je dober približek za
a 3radic
2 (slika 44) Pri tem izkoristimo izraza za diagonalo kvadrata in višino
enakostraničnega trikotnika v katerih nastopataradic
2 inradic
3 s kombinacijo
obeh pa šeradic
6 Podrobnosti so izpuščene z malo truda lahko konstrukcije
izvede vsak sam
Slika 44 Približna podvojitev kocke
Zrcalno sliko Evdoksove kampile (11) na krožnici x2 + y2 = a2 takoj
dobimo iz polarne oblike njene desne veje lowast(ϕ) = acos2ϕ Z zapisom v
pravokotnih kartezičnih koordinatah dobimo implicitno obliko za celotno
prezrcaljeno krivuljo
(x2 +y2)3 = a2x4
72
Krivulja je algebrska šeste stopnje Simetrična je glede na obe koordinatni
osi Njeni največji odkloni od osi x so pri polarnih kotih ϕ za katere je
3sin2ϕ = 1 to je v točkah (plusmn2aradic
69plusmn2aradic
39) kjer ima krivulja vodo-
ravni dvojni tangenti
Slika 45 Zrcaljenje Evdoksove kampile na krožnici
Nova krivulja spada med Clairautove Ploščina P obeh delov jajčastih
oblik je
P = 4 sdota2
2 intπ2
0cos4ϕdϕ = 2a2 sdot
34
sdotπ2=
3πa2
8
Problem podvojitve kocke grško διπλασιασμός τοῦ κύβου ali deloški
problem poimenovan po grškem otoku Delosu v Egejskem morju je reše-
valo več grških geometrov ki so celo skušali izdelati v ta namen posebno
orodje Platon je pograjal Evdoksove Arhitove in Menajhmove učence
češ da njihovi napori kvarijo kar je dobrega v geometriji Nastal je celo
epigram (puščica zbadljivka) v zvezi s podvojitvijo kocke ki je zapisan v
Evtokijevih komentarjih k Arhimedovi razpravi rdquoO krogli in valjurdquo grško
Περὶ σφαίρας καὶ κυλίνδρου Matematik in neoplatonist Evtokij iz Aškalona
v Palestini Εὐτόκιος ὁ Ασκαλονίτης je bil poznoantični matematik rojen
73
okoli leta 480 umrl pa je okoli leta 520 O njem se ve bore malo Nekaj
časa je deloval v Atenah nazadnje pa v Aleksandriji Napisal je tudi ko-
mentarje k Apolonijevi razpravi rdquoStožnicerdquo v grščini Κωνικά Na stožnice
se je v srednjem kar nekoliko pozabilo zanimanje zanje je spet oživelo
šele v času Keplerja in Newtona ko je bil potreben opis gibanja planetov
v heliocentričnem svetovnem sistemu
Navedimo omenjeni epigram v grščini in v prevodu S Weiss (vzeto iz
obsežnega knjižnega dela v treh delih [3])
Μηδὲ σύ γrsquo Αρχύτεω δυσμήχανα ἔργα κυλίνδρων
μηδὲ Μεναιχμείους κωνοτομεῖν τριάδας
διζήσηι μηδrsquo εἴ τι θεουδέος Εὐδόξοιο
καμπύλον ἐν γραμμαῖς εἶδος ἀναγράφεται
Težkih Arhitovih del s cilindri nikar ne posnemaj
stožnic Menajhmovih treh nikdar izsekal ne boš
niti ne boš spoznal če božanskega črte Evdoksa
res zarišejo lik tak iz zavitih kampil
Videli smo kaj vse se da povedati o neki krivulji če obvladamo in-
finitezimalni račun Seveda nam je to sedaj ko imamo na voljo najnovejše
pripomočke in obsežno ter dostopno matematično literaturo veliko laže
kot je bilo matematikom v 17 stoletju ko so v marsičem še orali ledino
Pomembni znanstveniki rojeni v 17 stoletju
Navedimo nekaj pomembnih znanstvenikov predvsem matematikov fizi-
kov in astronomov ki so se rodili v 17 stoletju Razvrščeni so po letnicah
74
rojstva Veliko podatkov dobimo v [1 5] in na svetovnem spletu
Gilles Personne de Roberval (1602ndash1675)
Pierre de Fermat (1607ndash1665)
Giovanni Alfonso Borelli (1608ndash1679)
Evangelista Torricelli (1608ndash1647)
John Pell (1610ndash1685)
Johann Hevel (1611ndash1687)
Frans van Schooten (1615ndash1660)
Carlo Renaldini (1615ndash1698)
John Wallis (1616ndash1703)
Henry Oldenburg (1618ndash1677)
Michelangelo Ricci (1619ndash1682)
William Brouncker (1620ndash1684)
Edmeacute Mariotte (1620ndash1684)
Jean Picard (1620ndash1682)
Vincenzo Viviani (1622ndash1703)
Reneacute-Franccedilois de Sluse (1622-1685)
Blaise Pascal (1623ndash1662)
Giovanni Domenico Cassini (1625ndash1712)
Robert Boyle (1627ndash1691)
Christiaan Huygens (1629ndash1695)
Isaac Barrow (1630ndash1677)
Ehrenfried Walther von Tschirnhaus (1631ndash1708)
Christopher Wren (1632ndash1723)
Johann Hudde (1633ndash1704)
Robert Hooke (1635ndash1703)
75
William Neile (1637ndash1670)
James Gregory (1638ndash1675)
Philippe de la Hire (1640ndash1719)
Isaac Newton (1643ndash1727)
Olaus Roslashmer (1644ndash1710)
Gottfried Wilhelm Leibniz (1646ndash1716)
Denis Papin (1647ndash1712)
Michel Rolle (1652ndash1719)
Pierre Varignon (1654ndash1722)
Jacob Bernoulli (1655ndash1705)
Edmund Halley (1656ndash1742)
Guillaume Franccedilois Antoine LrsquoHocircpital (1661ndash1704)
David Gregory (1661ndash1708)
Abraham de Moivre (1667ndash1754)
Johann Bernoulli (1667ndash1748)
Jacopo Francesco Riccati (1676ndash1754)
Giulio Carlo Fagnano (1682ndash1766)
Roger Cotes (1682ndash1716)
Reneacute Antoine Reacuteaumur (1683ndash1757)
Greacutegoire de Saint-Vincent (1584ndash1667)
Brook Taylor (1685ndash1731)
Gabriel Daniel Fahrenheit (1686ndash1736)
Colin Maclaurin (1698ndash1746)
Pierre Louis Moreau de Mapertuis (1698ndash1759)
76
Viri
[1] I Asimov Biografska enciklopedija znanosti in tehnike Tehniška za-
ložba Slovenije Ljubljana 1978
[2] J Bair V Henry Sluse ses perles et son algorithme Losanges 14
(2011) str 14ndash18 httphdlhandlenet2268100155 (videno 10
7 2021)
[3] G Kocijančič (urednik) Fragmenti predsokratikov Študentska za-
ložba Ljubljana 2012
[4] G Loria Spezielle algebraische und transscendente ebene Kurven
Teubner Leipzig 1902
[5] U C Merzbach C B Boyer A History of Mathematics John Wiley amp
Sons Hoboken New Jersey 2011
[6] J J OrsquoConnor E F Robertson Reneacute Franccedilois Walter de Sluze MacTu-
tor
httpsmathshistoryst-andrewsacukBiographiesSluze
(videno 10 7 2021)
[7] B von Pape Von Eudoxus zu Uhlhorn Books on Demand Norderstedt
2019
[8] M Razpet Pomnožitev hiperkocke Obzornik mat fiz 68 (2021) št 1
str 1-9
[9] M Razpet in N Razpet Prepogibanje papirja podvojitev kocke in
Slusova konhoida Obzornik mat fiz 67 (2020) št 2 str 41-51
77
[10] Y Renotte Reneacute de Sluze dialogues avec Christiaan Huygens
Bulletin de lrsquouniversiteacute du 3e acircge - Liegravege 23 (2021) 4 strani
httphdlhandlenet22682596400 (videno 10 7 2021)
[11] R F Slusius Mesolabum seu duaelig mediaelig proportionales inter ex-
tremas datas per circulum et ellipsim vel hyperbolam infinitis modis
exhibitaelig Leodii Eburonum Liegravege 1659
[12] R F Slusius Mesolabum seu duaelig mediaelig proportionales inter ex-
tremas datas per circulum et per infinitas hyperbolas vel ellipses et
per quamlibet exhibitaelig ac problematum omnium solidorum effectio
per easdem curvas Leodii Eburonum Liegravege 1668
[13] D Uhlhorn Entdeckungen in der houmlhern Geometrie theoretisch und
practisch abgehandelt Schulzersquosche Buchhandlung Oldenburg 1809
[14] I Vidav Algebra Mladinska knjiga Ljubljana 1972
Avtor se zahvaljuje prof dr Milanu Hladniku za strokovni pregled
copy(2021) Marko Razpet
78
knjige N Kopernika G Galileja in J Keplerja ter kritiziral prizadevanja za
obnovitev starih konceptov Pisal je že o ekscentričnosti v zvezi s Soncem
Zdi se da je za svoje izračune uporabljal oba sistema heliocentričnega
in geocentričnega Rad je opazoval zvezdnato nebo Tako v kemiji kot
drugje se je znašel na razpotju Prebral je modne knjige o alkimiji in
celo ponovil poskus sublimacije antimona v belo barvo vendar je bila nje-
gova razlaga odločno korpuskularna saj je uporabljal Boylove zamisli o
strukturi tekočega in trdnega stanja V podporo temu je izvajal poskuse
zamrzovanja različnih raztopin in študiral sestavo lojevca V medicinski
kemiji se je zanimal za zdravilne vode in jih tudi analiziral
V fiziki sta ga je posebej zanimala merjenje temperature in praktična
termometrija Če ne upoštevamo odkritij E Torricellija in B Pascala o
vplivu atmosferskega tlaka na zračni termometer je de Sluse leta 1664
izumil svoj termometer z voščeno kroglico pomešano s peskom ki se je
gibala v stekleni cevi zaprti na dnu napolnjeni s slano vodo tako da je
bila kroglica bolj ali manj potopljena v sredini cevi kar je opisal v pismih
Huygensu Kroglica je označevala vsako spremembo v zraku iz toplejšega
na hladnejše ko se je spuščala ali dvigala Huygens je odgovoril da je
njegov termometer prepočasen vendar je zanesljivejši od drugih istovrst-
nih termometrov ker je manj podvržen vplivu atmosferskega tlaka Žal
ni poznal florentinskega termometra ko je svojim dopisnikom vključno s
Huygensom in Oldenburgom povedal o svojem izumu Florentinski ter-
mometri so pomenili odločilen korak naprej pri merjenju temperature
Bili so prvi ki so omogočali natančne meritve Pred iznajdbo v Firencah
okoli leta 1650 so bili stari modeli zelo približni določali so ali je pred
nami nekaj hladnega ali vročega ne da bi lahko odčitali ali ocenili tem-
peraturo Razlika je v tem da je steklena cev zaprta tako da je vpliv tlaka
20
odpravljen Uporabljali so se predvsem petdesetstopinjski termometri
Taki termometri so večinoma služili za določanje nihanja temperature zra-
ka v zaprtih prostorih in na prostem Oblikovanje termometra je takrat
pomenilo tudi določitev njegove merilne lestvice vendar še brez Celzijevih
ali Fahrenheitovih stopinj Pri tem so bile stopinje enakomerno razpore-
jene med dvema skrajnostma in sicer med nivojem najhladnejše tekočine
pozimi (nizka točka) in nivojem najbolj vroče tekočine poleti (visoka točka)
Zaradi teh zelo relativnih vrednosti je primerjava meritev med dvema ter-
mometroma nezanesljiva Ob upoštevanju pripomb jo je večkrat spreme-
nil in jo ponovno predložil Oldenburgu do leta 1669 ko je R Boyle izrazil
negativno mnenje glede topnosti voska kroglic v slani tekočini Po tem da-
tumu termometer ni bil nikoli več omenjen De Sluse je zboljšal različne
instrumente ure številčnice barometre Ker ga je motilo prerekanje med
raziskovalci glede avtorstva odkritij je po Oldenburgovi smrti leta 1677
končal svojo znanstveno dejavnost
Šele v 18 stoletju so razvijali temperaturne merilne lestvice C Re-
naldini (1694) O C Roslashmer (1702) G Fahrenheit (1717) Reneacute-Antoine
F de Reacuteaumur (1730) in A Celsius (1741) Enota kelvin (K ndash v čast lordu
Kelvinu 1824-1907) osnovna enota mednarodnega sistema enot za tem-
peraturo je bila uvedena šele leta 1954
De Sluse je bil tudi zgodovinar Napisal je knjigo o smrti sv Lam-
berta škofa v Tongresu ki je bil ubit na kraju kamor je sv Hubert njegov
naslednik prenesel sedež svoje škofije Kraj se je kasneje razvil v Liegravege
Druga zgodovinska študija se nanaša na slavnega maastrichtskega škofa
sv Servacija Med de Slusovimi neobjavljenimi rokopisi je tudi zgodovina
Koumllna Pripomnimo še da je sv Hubert zavetnik lovcev matematikov
optikov in kovinarjev
21
O širini de Sluzovih interesov priča raznolikost tem ki so zajete na
več sto straneh njegovega dela neobjavljenih rokopisov ki jih zdaj hrani
Narodna knjižnica Bibliotheque Nationale v Parizu Čeprav se je ukvarjal
predvsem z matematiko njegovi rokopisi obravnavajo tudi astronomijo
fiziko in naravoslovje
De Slusove perle
Po de Slusu so po zaslugi B Pascala (več o tem v [4]) imenovane tudi
krivulje rdquode Slusove perlerdquo to so krivulje ki se v pravokotnem kartezi-
čnem koordinatnem sistemu Oxy izražajo z enačbo
ym = kxn(aminusx)p (2)
Pri tem so eksponenti mn in p naravna števila a in k pa pozitivni kon-
stanti Glede na parnost eksponentovmn in p formalno razlikujemo osem
možnosti od katerih imamo opravka s perlami le v primeru ko je m sodo
število s pravimi perlami pa v primeru ko je m sodo število n in p pa lihi
števili (slika 10) Skupno tem krivuljam so simetričnost glede na os x in
presečišča s to osjo pri x = 0 in x = a De Sluse je po svoje brez uporabe
odvoda izračunal da njegove perle dosegajo lokalne ekstreme največji
odstop od osi x med 0 in a za x = na(n+p)
V teh primerih je ploščina S lika ki ga ograjuje zanka perle enaka
S = 2k1mint
a
0xnm(aminusx)pmdx = 2k1ma(m+n+p)mint
1
0tnm(1minus t)pmdt
Integracijsko spremenljivko x smo zamenjali z novo spremenljivko t prek
relacije x = at da smo dobili obliko ki jo lahko izrazimo z Eulerjevima
22
Slika 10 Primeri de Slusovih perl
funkcijama B in Γ
S = 2k1ma(m+n+p)mB(nm+1pm+1) =
= 2k1ma(m+n+p)mΓ(nm+1)Γ(pm+1)
Γ((n+p)m+2)=
= 2k1ma(m+n+p)mnp
(m+n+p)(n+p)
Γ(nm)Γ(pm)
Γ((n+p)m)
Pri rotaciji okoli osi x ta lik v prostoru opiše telo s prostornino
V =πk2mint
a
0x2nm(aminusx)2pmdx =πk2ma(m+2n+2p)m
int
1
0t2nm(1minust)2pmdt
23
Slika 11 Zasuk de Slusove perle za m = 2n = 3p = 1k = 001 okoli osi x
Integracijsko spremenljivko x smo tudi to pot zamenjali z novo spremenljivko
t prek relacije x = at da smo dobili obliko ki jo lahko izrazimo z Eulerje-
vima funkcijama B in Γ
V =πk2ma(m+2n+2p)mB(2nm+12pm+1) =
=πk2ma(m+2n+2p)mΓ(2nm+1)Γ(2pm+1)Γ((2n+2p)m+2)
=
= 2πk2ma(m+2n+2p)m np
(m+2n+2p)(n+p)Γ(2nm)Γ(2pm)
Γ((2n+2p)m)
Poseben primer de Slusove perle
Natančneje bomo obravnavali de Slusovo perlo samo primer za m = n = 2
p = 1 in k = 1a to se pravi krivuljo K ki ima implicitno enačbo ay2 =
x2(a minus x) To pa zato ker se posamezne točke te krivulje da preprosto
konstruirati z osnovnim geometrijskim orodjem
24
Geometrijska konstrukcija in analitična obravnava
Do posameznih točk T krivulje K pridemo s preprosto geometrijsko kon-
strukcijo (slika 12) V pravokotnem kartezičnem koordinatnem sistemu
Oxy načrtamo premico x = a kjer je a pozitivna konstanta Skozi koordi-
natno izhodišče O potegnemo premico p ki ima enačbo y = tx in preseka
premico x = a v točki A(ata) Parameter t smerni koeficient premice p s
katerim je sorazmerna ordinata točkeA bomo kasneje spreminjali V točki
A na p postavimo pravokotnico q ki seka os x v točki B V B načrtamo na
q pravokotnico r ki seka premico x = a v točki C nazadnje pa skozi C še
pravokotnico s na r Presečišče premic p in s naj bo točka T (xy) Sedaj
bomo izrazili njeni koordinati x in y s parametrom t
Slika 12 Konstrukcija točke T de Slusove perle K
Premica q ima enačbo y = minus(x minus a)t + at in preseka os x v točki B(a +
at20) Premica r ima enačbo y = t(x minus aminus at2) in preseka premico x = a v
točki C(aminusat3) premica s pa enačbo y = minus(xminus a)t minus at3 Koordinati točke
T sta rešitvi sistema enačb
y = tx y = minusxminusat
minusat3
25
Po krajšem računu dobimo
x(t) = a(1minus t2) y(t) = at(1minus t2) (3)
To sta parametrični enačbi krivulje K Ko spreminjamo t po vseh realnih
vrednostih oziroma ko A drsi po premici x = a točka T (xy) opiše krivuljo
K (slika 13) z zanko ki spominja na perlo
Če si mislimo da je parameter t čas enačbi (3) predstavljata sestav-
ljeno gibanje točkaste mase v dveh med seboj pravokotnih smereh v koor-
dinatni ravnini v smeri osi x po pravilu prve enačbe v smeri osi y pa po
pravilu druge enačbe Tirnica takega gibanja je krivulja K Podoben le da
bolj preprost primer imamo tudi pri gibanju točkaste mase pri poševnem
metu
Slika 13 De Slusova perla K
Ko se t spreminja od zelo velikih negativnih vrednosti potuje T po
loku v drugem kvadrantu navzdol in doseže za t = minus1 prvič točko O Za
minus1 le t le 0 opiše lok v četrtem kvadrantu odO do temenaD(a0) za 0 le t le 1
opiše lok v prvem kvadrantu od D do točke O ki jo doseže drugič za t = 1
za t gt 1 pa se spusti po loku v tretjem kvadrantu navzdol
26
Če upoštevamo (3) dobimo
x2(t)(aminusx(t)) = a2(1minus t2)2 sdotat2 = a(at(1minus t2))2 = ay2(t)
To pomeni da je ay2 = x2(aminusx) implicitna enačba krivulje K in da je K al-
gebrska krivulja tretje stopnje Krivulja K je simetrična glede na os x Za
točke ki so zelo blizu koordinatnemu izhodiščuO je člen x3 zanemarljivo
majhen v primerjavi s kvadratnima členoma zato je tam enačba krivulje
K približno ay2 = ax2 oziroma (y minusx)(y +x) = 0 Ta enačba razpade na dve
y = x in y = minusx V točki O ima krivulja tangenti y = x in y = minusx ki se sekata
pravokotno V točki D je tangenta na krivuljo premica x = a Krivulja ima
na zanki dve glede na os x simetrično ležeči lokalno ekstremni točki v ka-
terih je tangenta vzporedna z osjo x To sta točki Mplusmn(2a3plusmn2aradic
39) De
Sluse jih je na svojevrsten način pravilno izračunal čeprav je bilo v nje-
govem času računanje z odvodi še v zametkih Da bi pravilnost ekstrem-
nih točk preverili brez odvoda uporabimo kvadrat ekstremne ordinate ki
je y2M = 4a227 in zapišimo izraz
ay2M minusx2(aminusx) = 4a327minusax2 +x3 = (xminus2a3)2(x+a3)
ki je za 0 lt x lt a nenegativen in enak 0 za x = 2a3 To pomeni da je
tedaj x2(a minus x) le 4a327 in največja ordinata na zanki krivulje je 2aradic
39
najmanjša pa minus2aradic
39 oboje pri x = 2a3 (slika 14)
Z uporabo odvoda gre vse veliko hitreje Ordinata y doseže ekstrem
takrat kot ay2 Zato je vseeno če poiščemo ekstrem enostavnejše funkcije
g(x) = x2(a minus x) = ax2 minus x3 Potreben pogoj za to je g prime(x) = 2ax minus 3x2 = 0
Dobimo stacionarni točki x1 = 0 in x2 = 2a3 Uporabimo še g primeprime(x) = 2aminus6x
Ker je g primeprime(x1) = 2a gt 0 in g primeprime(x2) = minus2a lt 0 ima funkcija g v točki x1 lokalni
minimum ki je enak 0 v točki x2 pa lokalni maksimum ki je enak 4a327
27
Slika 14 Lokalna ekstrema na de Slusovi perli K
Ekstremna točka na zanki kjer je tangenta vzporedna z osjo x je očitno
le v x2 kvadrat ekstremne ordinate je tedaj g(x2)a = 4a227 = 12a281
Ekstremni ordinati sta torej plusmn2aradic
39 pri abscisi 2a3
Abscise 2a3 ni težko geometrijsko konstruirati prav tako tudi ne or-
dinate 2aradic
39 ki je 29 razdalje ∣PminusP+∣ = aradic
3 kjer sta Pminus in P+ presečišči
krožnih lokov s središčema v točkahO inD in polmerom ∣OD ∣ To pomeni
da sta točki Pminus in P+ konstruktibilni
Če bi načrtali celotna krajša krožna loka med Pminus in P+ bi dobili med
njima lečast lik ki so mu nekoč rekli rdquovesica piscisrdquo kar dobesedno pomeni
rdquoribji mehurrdquo Lik je bil zelo znan v srednjeveški sakralni umetnosti
Čeprav v de Slusovem času še niso poznali odvoda funkcije v današn-
jem smislu so že vedeli zahvaljujoč Fermatu da ima funkcija v točki
lokalnega ekstrema vodoravno tangento
28
Spremljajoča parabola
Nastajanje krivulje K spremljajo še nekatere druge bolj ali manj znane
krivulje Najprej si oglejmo kaj dobimo če točko O pravokotno projici-
ramo na premice r in spreminjamo parameter t Dobljena projekcija naj
bo R (slika 15)
V prispevku se pogosto sklicujemo na povezavo med smernima koe-
ficientoma premice in pravokotnice nanjo Koeficienta sta si inverzna in
nasprotna Zato zlahka napišemo enačbo premice r in pravokotnice skozi
O nanjo
y = t(xminusaminusat2) y = minusxt
Njuno presečišče R ima koordinati
x(t) = at2 y(t) = minusat
Z izločitvijo parametra t dobimo y2 = ax kar pomeni da točke R pri spre-
minjanju točkeA po premici x = a opišejo parabolo rdquospremljajočo parabolordquo
ki ima gorišče v točki F(a40) in vodnico v z enačbo x = minusa4
Slika 15 De Slusova perla K in spremljajoča parabola
29
Ogrinjače
Ko drsi točka A po premici x = a premice s ogrinjajo neko krivuljo Ks
Premice s so v točki T krivulje K pravokotne na premice skozi O in T
Njeno enačbo dobimo po standardnem postopku Enačba premic s je
F(xyt) = y +xminusat
+at3 = 0
To je enoparametrična družina premic ki ogrinjajo krivuljo Ks imeno-
vano rdquoogrinjačardquo te družine (slika 16) V vsaki točki ogrinjače se jo dotika
ena premica v različnih točkah različne premice družine Enačbo njihove
ogrinjače v implicitni obliki dobimo tako da iz sistema enačb
Slika 16 De Slusova perla K in ogrinjače Ks Kq Kr
F(xyt) = 0partFpartt
(xyt) = 0
izločimo parameter t Iz enačbe
partFpartt
(xyt) = minus(xminusa)t2 +3at2 = 0
30
dobimo najprej xminusa = 3at4 kar vstavimo v prvo enačbo v sistemu in imamo
y = minus4at3 Dobili smo ogrinjačo v parametrični obliki
x(t) = a(1+3t4) y(t) = minus4at3
Izločimo t in enačba iskane ogrinjače Ks v implicitni obliki je pred nami
27y4 = 256a(xminusa)3
Ker je y dobljene krivulje sorazmeren s potenco (x minus a)34 lahko rečemo
da je ogrinjača premic s četrtkubična parabola
Podobno poiščemo ogrinjačo Kq premic q
F(xyt) = yt +xminusaminusat2 = 0partFpartt
(xyt) = y minus2at = 0
Ogrinjača v parametrični obliki je to pot
x(t) = a(1minus t2) y(t) = 2at
Z izločitvijo parametra t dobimo njeno enačbo v implicitni obliki
y2 = minus4a(xminusa)
Dobljena krivulja Kq je parabola z vodnico x = 2a in goriščem v točki O
(slika 16)
Nazadnje po enakem postopku kot doslej poiščemo še ogrinjačo Kr
premic r
F(xyt) = y minus tx+at +at3 = 0partFpartt
(xyt) = minusx+a+3at2 = 0
Ogrinjača v parametrični obliki je potem
x(t) = a(1+3t2) y(t) = 2at3
31
Z izločitvijo parametra t dobimo njeno enačbo še v implicitni obliki
27ay2 = 4(xminusa)3
Dobljena krivulja Kr je polkubična ali Neilova parabola z ostjo v točki
D(a0) kjer ima vodoravno tangento (slika 16) Krivuljo Ks smo up-
ravičeno imenovali četrtkubična parabola Slednja ima v točki D(a0)
navpično tangento
Edinole premice p od tistih ki sodelujejo v konstrukciji točk krivulje
K nimajo ogrinjače Vse premice p namreč potekajo skozi koordinatno
izhodišče O in očitno ne ogrinjajo nobene krivulje
Nožiščne krivulje
Novo krivuljoHprime dobimo če na tangente dane krivuljeH pravokotno pro-
jiciramo izbrano točko Φ Vse projekcije P nožišča točke Φ na tangentah
krivuljeH sestavljajo krivuljoHprime ki jo imenujemo rdquonožiščnardquo ali rdquopedalna
krivuljardquo krivulje H glede na točko Φ
Beseda rdquopedalenrdquo izhaja iz latinske rdquopedalisrdquo kar pomeni rdquonoženrdquo Os-
novna beseda je rdquopesrdquo v rodilniku ednine rdquopedisrdquo kar pomeni rdquonogardquo Od
tod izvirajo tudi besede rdquopedalordquo rdquopedalarrdquo in rdquopedalinrdquo
Poiščimo nekaj nožiščnih krivulj glede na koordinatno izhodišče O
Najprej za krivuljo K ki je poseben primer de Slusove perle Za odvod
v točki T isinK ki ustreza parametru t dobimo
dy
dx(x) =
y
x(t) =
3t2 minus12t
Enačbi tangente v T in pravokotnice skozi O nanjo pa se glasita
y minusat(1minus t2) =3t2 minus1
2t(xminusa(1minus t2)) y =
2t1minus3t2
x
32
Sekata se v točki P s koordinatama
x(t) =a(t2 minus1)2(1minus3t2)
9t4 minus2t2 +1 y(t) =
2at(t2 minus1)2
9t4 minus2t2 +1 (4)
S tem smo našli parametrični enačbi krivulje Kprime (slika 17) Do implicitne
enačbe je dolga pot prek rezultante dveh polinomov spremenljivke t od
katerih je prvi druge drugi pa pete stopnje Najprej opazimo da je v (4)
yx = 2t(1minus 3t2) kar lahko zapišemo kot p(t) = 3yt2 + 2xt minus y = 0 drugo
enačbo pa zapišemo v obliki q(t) = 2at5 minus 9yt4 minus 4at3 + 2yt2 + 2at minus y = 0
Zaradi enostavnosti smo pisali x in y brez argumenta t Da izločimo pa-
rameter t je treba zapisati rdquorezultantordquo R(p(t)q(t)) polinomov p(t) in
q(t) in jo izenačiti z 0 (glej [14])
R(p(t)q(t)) =
RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR
2a minus9y minus4a 2y 2a minusy 0
0 2a minus9y minus4a 2y 2a minusy
3y 2x minusy 0 0 0 0
0 3y 2x minusy 0 0 0
0 0 3y 2x minusy 0 0
0 0 0 3y 2x minusy 0
0 0 0 0 3y 2x minusy
RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR
= 0
Zadnji stolpec je deljiv z y Ker y = 0 ni del iskane nožiščne krivulje pre-
ostane ko izračunamo determinanto in jo okrajšamo z y in preuredimo
27y2(x2 +y2)2 +4ax(x2 minus9y2)(x2 +y2)minus4a2(x2 minusy2)2 = 0
Rezultat je torej algebrska krivulja šeste stopnje Krivulja je simetrična
glede na abscisno os točka O pa je njena posebna točka Za zelo majhne
x in y prevlada zadnji člen kar pomeni da sta premici y = x in y = minusx v O
tangenti na krivuljo
33
Slika 17 Nožiščna krivulja Kprime krivulje K glede na koordinatno izhodišče
Zanka krivulje Kprime nekoliko spominja na srčnico ali kardioido ki jo
opisujejo točke krožnice ki se brez drsenja kotali po enako veliki krožnici
Krivulja Kprime ima še neomejeni del ki se razteza po drugem in tretjem kvad-
rantu Poglejmo kako potuje točka po krivulji v parametrizaciji (4) ko
parameter t teče po številski premici Za t lt minus1 poteka krivulja po tretjem
kvadrantu pri čemer x(t)rarr minusinfin in y(t)rarr minusinfin ko t rarr minusinfin Pri t = minus1 točka
doseže O v obliki osti ki ima za tangento premico y = x Za minus1 lt t lt 0
potuje točka po četrtem kvadrantu doseže točko D pri t = 0 za 0 lt t lt 1
potuje naprej po prvem kvadrantu in pri t = 1 spet doseže O kjer ima
ost s tangento y = minusx nato nadaljuje pot po drugem kvadrantu pri čemer
x(t)rarr minusinfin in y(t)rarrinfin ko trarrinfin
Nožiščna krivulja malo prej obravnavane krivulje Ks glede na točko O
ni nič drugega kot krivulja K Premice s so namreč tangente na Ks nožišča
točke O na njej pa so točke krivulje K Lahko pa to preverimo z računom
34
tako kot smo poiskali nožiščno krivuljo Kprime za K glede na točko O
Za odvod v poljubni točki na Ks ki ustreza parametru t dobimo
dy
dx(x) =
y
x(t) = minus
1t
Enačbi tangente v tej točki in pravokotnice skozi O nanjo pa se glasita
y +4at3 = minus1t(xminusa(1+3t4)) y = tx
Sekata se v točki s koordinatama
x(t) = a(1minus t2) y(t) = at(1minus t2)
To sta ravno parametrični enačbi krivulje K tako da velja Kprimes =K
Podobno ugotovimo tudi da je premica x = a nožiščna krivulja za para-
bolo Kq Premica x = a je tangenta te parabole v temenu V splošnem je
temenska tangenta parabole kar njena nožiščna krivulja glede na gorišče
Ugotovili smo torej da je nožiščna krivulja krivulje Kr spremljajoča para-
bola krivulje K
Ekstremne točke nožiščne krivulje Kprime
Ekstremne točke na zanki krivulje Kprime dobimo iz odvodov
x(t) =2at(1minus t2)(3t2 +1)(9t4 +2t2 minus3)
(9t4 minus2t2 +1)2
y(t) =2a(t2 minus1)(3t2 +1)(3t4 +6t2 minus1)
(9t4 minus2t2 +1)2
Za t = 0 doseže v točki D(a0) abscisa svojo največjo vrednost Za t = plusmn1
poteka krivulja skozi točko O kjer sama sebe preseka pod pravim kotom
ker je yprime(0) = (yx)(plusmn1) = ∓1
35
Najmanjšo absciso na zanki ima krivulja Kprime v točki ki jo določa para-
meter t za katerega velja pogoj 9t4 +2t2 minus3 = 0 To je bikvadratna enačba
katere realni rešitvi sta tplusmn = plusmnradic
2radic
7minus13 ustrezni točki na krivulji pa
izračunamo z enačbama (4) in dobimo
Xplusmn(a(17minus7radic
7)27plusmnaradic
74radic
7minus17227)
Ekstremni ordinati na zanki ima krivulja takrat za tisto vrednost para-
metra t za katerega velja pogoj 3t4 + 6t2 minus 1 = 0 Realni rešitvi te bi-
kvadratne enačbe sta tplusmn = plusmn(3radic
2minusradic
6) 4radic
36 ustrezni točki na krivulji pa
Yplusmn(a(3minusradic
3)3plusmna 4radic123)
Ker v koordinatah ekstremnih točk nastopajo poleg osnovnih aritmetičnih
operacij le kvadratni in bikvadratni (četrti) koreni so te točke konstruk-
tibilne
Cisoida
Spoznali smo enega od načinov pridobivanja novih ravninskih krivulj iz
danih to je z nožišči izbrane točke na tangentah dane krivulje Krivulji
s tem priredimo nožiščno krivuljo glede na izbrano točko Drug tak pre-
prost način kako iz znanih krivulj dobimo nove je cisoidni način Kako
pa ta poteka
Denimo da sta znani krivulji K1 in K2 ter točka O ki ležijo v isti
ravnini Pri tem sta K1 in K2 taki krivulji da vsaka premica p skozi O
ki seka K1 v neki točki T1 seka tudi K2 recimo v točki T2 (slika 18) Za
vsak T1 označimo na p točko T tako da veljaETHOT =
ETHETHT1T2 Ko T1 potuje po
K1 T opiše krivuljo C ki jo imenujemo cisoida krivulj K1 in K2 glede na
točko O Definicije take cisoide se nekoliko razlikujejo od vira do vira
36
Slika 18 Krivulja C je cisoida krivulj K1 in K2 glede na točko O
Dioklova cisoida s katero rešimo problem podvojitve kocke je cisoida
krožnice x2 + y2 = ax in premice x = a glede na koordinatno izhodišče O
Več o cisoidah in njihovi uporabi je napisanega na primer v [8]
Krivulja K je povezana tudi s polkubično ali semikubno ali Neilovo
parabolo poimenovano po Williamu Neilu (1637ndash1680) Parametrični
enačbi (3) lahko zapišemo v vektorski obliki v standardni bazi kot razliko
kolinearnih vektorjev
r(t) = (x(t)y(t)) =ETHOT = (a(1minus t2)at(1minus t2)) = (aat)minus (at2at3)
Vektor r1(t) = (aat) = (a0)+at(01) je enačba premice x = a v parametrični
obliki vektor r2(t) = (at2at3) pa polkubične parabole ki ima enačbo ay2 =
x3 in ost v točkiO Parameter t geometrijsko pomeni tangens naklonskega
kota premice OA (slika 13)
Premica y = tx poteka skozi koordinatno izhodišče O in seka premico
x = a v točkiA(aat) zato jeETHOA = r1 Ista premica seka polkubično parabolo
P ki ima enačbo ay2 = x3 v točki P (at2at3) tako da jeETHOP = r2 S tem je
ETHPA =
ETHOAminus
ETHOP = r1minus r2 = r To pomeni da je r =
ETHOT =
ETHOAminus
ETHOP Potemtakem
je krivulja K cisoida polkubične parabole P z enačbo ay2 = x3 in premice
37
Slika 19 De Slusova perla K kot cisoidna krivulja
x = a glede na točko O (slika 19)
Neilova parabola in ločna dolžina
Neilova ali polkubična parabola ay2 = x3 je bila v zgodovini matematike
pomembna kot ena prvih krivulj za katero so znali izračunati ločno dolžino
Prav prvi je to znal John Wallis (1616ndash1703) leta 1657
Denimo da nas zanima ločna dolžina `(b) te krivulje nad intervalom
[0b] (slika 20) Znano je da lahko uporabimo formulo za ločno dolžino
krivulje ki je dana v eksplicitni obliki
`(b) = intb
0
radic
1+yprime2dx
Pri tem je y = f (x) enačba krivulje in yprime = f prime(x) V našem primeru je y =
38
Slika 20 Neilova ali polkubična parabola
f (x) = plusmnradicx3a Kratek račun nam da yprime2 = 9x(4a) in
`(b) = intb
0
radic
1+9x4adx
Z uvedbo nove integracijske spremenljivke u z relacijo u2 = 1 + 9x(4a)
dobimo
`(b) =8a9 int
c
1u2du =
8a27
(c3 minus1)
pri čemer je c =radic
1+9b(4a)
Leibnizeva izohrona je krivulja po kateri se je leta 1687 vprašal G W
Leibniz Poiskati je treba v navpični ravnini krivuljo po kateri se brez
trenja giblje točkasta masa ki je podvržena konstantnemu težnostnemu
polju tako da je navpična komponenta njene hitrosti ves čas konstantna
Nalogo je prvi rešil C Huygens nizozemski astronom fizik in matema-
tik znan tudi po odkritju Saturnovega satelita Titana in znamenitih Sat-
urnovih obročev ter po izdelavi prve ure na nihalo kar je bilo za tiste čase
velik napredek v merjenju točnega časa
39
Slika 21 Leibnizeva izohrona
Izhodišče O postavimo v najvišjo točko krivulje (slika 21) V tej točki
je horizontalna hitrost premikajoče se mase m enaka 0 Naj bo v0 njegova
navpična hitrost navzdol Os y je vodoravna os x pa usmerjena navz-
dol Potencialno energijo mase računamo nad izbranim nivojem spodaj V
skladu z načelom ohranitve mehanske energije v času t in času 0 potem
velja12mv2(t)+mg(hminusx(t)) =
12mv2
0 +mgh
Pri tem je g težni pospešek Po poenostavitvi dobimo v2(t) = 2gx(t)+ v20
Vektor hitrosti ima v vsakem trenutku med seboj pravokotni komponenti
v(t) = (x(t) y(t)) za t = 0 pa v(0) = (v00) Upoštevamo da je ∣v(t)∣2 =
v2(t) = x2(t) + y2(t) in da je x(t) = v0 pa imamo sistem diferencialnih
enačb
x(t) = v0 y(t) =radic
2gx(t)
ki ga rešimo pri začetnih pogojih x(0) = y(0) = 0 in dobimo
x(t) = v0t y(t) =23
radic2gv0t3
40
Koordinati točk na dobljeni krivulji zadoščajo enačbi
ay2 = x3 a =9v2
0
8g
Pri dani konstanti a je v0 = (23)radic
2ag Iskana krivulja je torej Neilova
parabola Ime izohrona je dobila zato ker točkasta masa po vertikali
v enakih časih prepotuje enake razdalje V grščini beseda ἴσος pomeni
rdquoenakrdquo χρόνος pa rdquočasrdquo
Dolžina ` zanke krivulje K nas pripelje do zapletenega eliptičnega in-
tegrala za katerega zapišimo približno vrednost
` = 2aint1
0
radic9t4 minus2t2 +1dt ≐ 271559186a
Pač pa je dolžina loka ` četrtkubične parabole Ks ogrinjače premic s bolj
prijazna Za dolžino loka od točke D ki ustreza parametru t = 0 do točke
ki ustreza parametru t = α dobimo
` = 12aintα
0t2
radic1+ t2dt =
3a2
(α(1+2α2)radic
1+α2 minus ln(α +radic
1+α2))
Prav tako dolžina loka ` navadne parabole Kq ogrinjače premic q ne
dela težav Za dolžino loka od točke D ki ustreza parametru t = 0 do
točke ki ustreza parametru t = α dobimo
` = 2aintα
0
radic1+ t2dt = a(α
radic1+α2 + ln(α +
radic1+α2))
Za spremljajočo parabolo dobimo prav tako enostaven rezultat za ločno
dolžino od točke O do točke ki ustreza parametru t = α
` = intα
0
radic1+4t2dt =
a4(2α
radic1+4α2 + ln(2α +
radic1+4α2))
Nazadnje zapišimo še ločno dolžino polkubične parabole Kr
` = 6aintα
0tradic
1+ t2dt = 2a((1+α2)radic
1+α2 minus1)
41
Pri vseh zgornjih primerih je parameter t strmina premice p v prvotni
konstrukciji krivulje K
Ploščine in prostornine
Ploščina S lika ki ga omejuje zanka krivulje K je
S =2radica int
a
0xradicaminusxdx
Z uvedbo nove integracijske spremenljivke t z relacijo aminusx = t2 je
S =4radica int
radica
0t2(aminus t2)dt =
4radica int
radica
0(at2 minus t4)dt =
8a2
15
Lahko pa jo izrazimo tudi s splošno formulo ki smo jo izpeljali na začetku
razdelka S to formulo lahko izrazimo še prostornino V telesa ki ga pri
rotaciji okoli osi x opiše lik
V =πa int
a
0x2(aminusx)dx =
πa3
12
To je ravno polovica prostornine krogle s premerom a
Pač pa je izraz za ploščino S prime lika ki ga omejuje zanka krivulje Kprime bolj
zapleten izraz Uporabimo parametrični enačbi (4) in dobimo
S prime = int1
0(x(t)y(t)minus x(t)y(t))dt = 2a2
int
1
0
(1minus t2)3(1+2t2 minus3t4)(9t4 minus2t2 +1)2 dt
Če se zanesemo na računalniško računanje določenih integralov potem je
S prime =2a2
729(3(43πminus28)+52
radic2ln(1+
radic2))
kar je približno S prime ≐ 1059206796a2 Do enakega rezultata pridemo z
navidez enostavnejšo formulo
S prime = 2inta
0y(x)dx
42
toda drugim težjim integralom
S prime = 2int0
1y(t)x(t)dt = minus8a2
int
1
0
t2(1minus t2)3(3t2 +1)(9t4 +2t2 minus3)(9t4 minus2t2 +1)3 dt
Zakaj smo integrirali po parametru t od 1 do 0 Zato ker abscisa x narašča
od 0 do a ko t pada od 1 do 0 Ordinata y pa je pri tem nenegativna (glej
izraza (4))
Tudi izraz za prostornino V prime telesa ki ga pri rotaciji okoli osi x opiše
lik omejen s Kprime je navidez enostaven
V prime =πinta
0y2(x)dx
toda s parametrom t je zapleten a eksaktno izračunljiv
V prime =πint0
1y2(t)x(t)dt = 8πint
1
0
t3(t2 minus1)5(3t2 +1))(9t4 +2t2 minus3)(9t4 minus2t2 +1)4 dt
Za rezultat dobimo
V prime =2πa3
19683(431π
radic2+369+744ln2)
kar je približno V prime ≐ 08936800975a3
Naj bo s tem računanja integralov dovolj V nadaljevanju se bomo
posvetili nekaterim lažjim problemom
Tangenta
Pri krivuljah v koordinatnem sistemu Oxy so pomembni štirje dotikalni
elementi za posamezne točke T odsek na tangenti ∣TA∣ odsek na normali
∣T B∣ subtangenta ∣AT prime∣ in subnormala ∣BT prime∣ (slika 23) Izražajo se takole
∣TA∣ = ∣y
yprime
radic
1+yprime2∣ ∣T B∣ = ∣yradic
1+yprime2∣ ∣T primeA∣ = ∣y
yprime∣ ∣T primeB∣ = ∣yyprime∣
43
Slika 22 Ploščini likov omejenih z zankama krivulj K in Kprime
Pri tem pomeni yprime = f prime(x) če je enačba krivulje y = f (x) Točka T prime je pra-
vokotna projekcija točke T na abscisno os A je presečišče tangente na
krivuljo v točki T z osjo x B pa presečišče normale z osjo x Dotikalni
elementi so posebej definirani tudi za krivulje v polarnih koordinatah
Slika 23 Dotikalni elementi krivulje
De Sluse je za algebrsko krivuljo f (xy) = 0 po svoje našel izraz za sub-
tangento ts to je pravokotno projekcijo odseka na tangenti
44
na os x V današnji pisavi se subtangenta izraža v obliki
ts = minusy
partfparty (xy)
partfpartx (xy)
Za krivuljo K je f (xy) = ay2 minusx2(aminusx) = 0 in
ts =2x(xminusa)3xminus2a
Lotimo se še konstrukcije tangente t in normale n naK v točki T0(x0y0) ne
O ki enolično določa točko A(aay0x0) kot presečišče premice p skozi O
in T0 s premico x = a Skozi A povlecimo vzporednico nprime z normalo n na K
v točki T0 Normala ima smerni koeficient kn = tsy0 oziroma
kn =
partfparty (x0y0)
partfpartx (x0y0)
=2ay0
x0(3x0 minus2a)
Premica nprime ima enačbo
y minusay0
x0=
2ay0
x0(3x0 minus2a)(xminusx0)
in preseka abscisno os v točki T1(x10) za katero po krajšem računu do-
bimo x1 = 2a minus 3x02 Točko T1 in premico nprime zlahka geometrijsko kon-
struiramo Iskana tangenta t v točki T0 je pravokotna na nprime normala n pa
vzporedna z nprime (slika 24)
Inverzija krivulje K na krožnici
Po navadi za ravninske krivulje pogledamo še njihove inverzne slike na
krožnici Inverzija ali zrcaljenje na krožnici x2 + y2 = r2 je ravninska pres-
likava ι definirana s predpisom
ι ∶ (xy)↦ (r2x
x2 +y2 r2y
x2 +y2)
45
Slika 24 Tangenta in normala na krivuljo K
S spreminjanjem polmera r krožnice dobimo med seboj podobne krivulje
Če zrcalimo na krožnici x2 + y2 = a2 krivuljo K ki ima implicitno enačbo
(2) dobimo krivuljo Klowast ki ima enačbo
y4 = minusx3(aminusx)
ki je formalno oblike (2) zam = 4n = 3p = 1 in k = minus1 Dobljena krivuljaKlowast
je simetrična glede na os x ima dve veji abscisa na njej doseže ekstremni
vrednosti v točkah O(00) in D(a0) Ima pa kot bomo videli tudi dve
asimptoti y = xminusa4 in y = minusx+a4 (slika 25)
Krivuljo Klowast se da lepo parametrizirati s parametrom τ če v njeno
enačbo y4 = minusx3(aminusx) vstavimo y = τx Dobimo
x(τ) =a
1minusτ4 y(τ) =aτ
1minusτ4
To sta parametrični enačbi krivulje Klowast
Ko τ uarr minus1 x(τ)rarr minusinfin in y(τ)rarr +infin ko τ darr minus1 x(τ)rarr +infin in y(τ)rarr minusinfin
ko τ uarr +1 x(τ)rarr +infin in y(τ)rarr +infin ko τ darr +1 x(τ)rarr minusinfin in y(τ)rarr minusinfin
46
Slika 25 Inverzna slika Klowast krivulje K
Konstanti k in n poševne asimptote y = kx + n krivulje Klowast dobimo s
formulama
k = limxrarrplusmninfin
y
x n = lim
xrarrplusmninfin(y minus kx)
V našem primeru je
k = limxrarrplusmninfin
y
x= limτrarrplusmn1
τ = plusmn1 n = a limτrarrplusmn1
τ ∓11minusτ4 = ∓
a4
Poševni asimptoti sta torej premici y = plusmn(xminusa4)
Obnašanje krivulje v okolici točke D utemeljimo če zapišemo impli-
citno obliko krivulje nekoliko drugače
y4 = (xminusa)x3 = (xminusa)(a+(xminusa))3 = a3(xminusa)+3a2(xminusa)2+3a(xminusa)3+(xminusa)4
47
Slika 26 Krivulja Klowast in približka v okolici točk O in D
Za x ki je zelo blizu a prevlada na desni prvi člen tako da je y4 asymp a3(xminusa)
Razlika xminusa se torej obnaša približno tako kot bikvadrat ordinate y
V okolici točke O kjer so abscise negativne iz istega razloga velja y4 asymp
minusax3 zato se tam krivulja obnaša približno tako kot četrtkubična parabola
(slika 26)
Inverzija krivulje Kprime na krožnici
Na krožnici x2 + y2 = a2 zrcalimo še krivuljo Kprime nožiščno krivuljo krivulje
K glede na točko O Dobimo dvodelno krivuljo Kprimelowast kakršno vidimo na
sliki 27
Enačba nove krivulje v implicitni obliki je
4(x2 minusy2)2 minus4ax(x2 minus9y2)minus27a2y2 = 0
48
Slika 27 Inverzna slika Kprimelowast krivulje Kprime
Krivulja je algebrska četrte stopnje je simetrična glede na os x ima ost
z vodoravno tangento v točki O skozi točko D pa poteka v blagem loku
Natančneje ugotovimo približni potek krivulje v okolici teh dveh točk če
v zgornji enačbi obdržimo prevladujoče člene V okolici točke O kjer so
abscise negativne je ay2 asymp minus4x327 torej približno tako kot polkubična
parabola V okolici točke D(a0) je y2 asymp minus4a(x minus a) kar pomeni da se
krivulja obnaša približno tako kot parabola
Pritisnjeni krožnici na K
Pritisnjeni krožnici v točki O na krivuljo K sta inverzni sliki asimptot
krivulje Klowast na krožnici x2 + y2 = a2 Preprost račun pokaže da se asimp-
toti krivulje Klowast z inverzijo ι preslikata v krožnici x2 + y2 plusmn4ay minus4ax = 0 ki
imata središči v točkah Splusmn(2aplusmn2a) in polmer 2aradic
2 Sekata se pavokotno
v točkah O in M(4a0) Inverzija ι namreč ohranja kote (slika 28)
49
Slika 28 Pritisnjeni krožnici na krivuljo K v točki O
Ukrivljenost κ(t) krivulje K v točki ki ustreza parametru t brez težav
izračunamo iz njenih parametričnih enačb (3)
κ(t) =2(3t2 +1)
a(1minus2t2 +9t4)32
V posebnem primeru je v točki O to se pravi za t = plusmn1 ukrivljenost enaka
κ(plusmn1) = 1(2aradic
2) zato sta v O polmera pritisnjenih krožnic 1κ(plusmn1) =
2aradic
2 kar se seveda ujema z rezultatom dobljenim z inverzijo na krožnici
Toksoida
Videli smo da je inverzna slika krivulje K krivulja Klowast ki ima enačbo y4 =
minusx3(aminusx) ki je formalno oblike (2) zam = 4n = 3p = 1 in k = minus1 Prav tako
je krivulja ay2 = minusx2(aminus x) ki jo dobimo iz enačbe ay2 = x2(aminus x) krivulje
K če zamenjamo aminus x z x minus a formalno oblike (2) za m = 2n = 2p = 1 in
50
k = minus1a Krivuljo označimo jo s T ki ima enačbo
ay2 = x2(xminusa)
je nemški amaterski matematik samouk in izumitelj Diedrich (tudi Diede-
rich) Uhlhorn (1764ndash1837) imenoval rdquotoksoidardquo V svojem delu [13] obrav-
nava več krivulj in za nekatere tudi opiše mehanske naprave s katerimi
se jih da risati pa tudi njihovo uporabo pri reševanje enačb Beseda rdquotok-
soidardquo izvira iz dveh grških τόξον kar pomeni rdquolokrdquo (kot orožje) pa tudi
rdquopuščicardquo in εἶδος kar med drugim pomeni rdquooblika podobardquo D Uhlhorn
je imenoval krivuljo v nemščini rdquoBogenlinierdquo ker nemški samostalnik rdquoBo-
genrdquo pomeni prav tako rdquolokrdquo Iz besede τόξον smo dobili tudi besede ki
so povezane s strupi kajti bojne puščice so bile često zastrupljene
Slika 29 Toksoida
Toksoida ima tudi izolirano točkoO(00) saj njeni koordinati zadoščata
implicitni enačbi
Iz implicitne enačbe toksoide dobimo z zamenjavo y = tx njeni parametri-
čni enačbi
x(t) = a(1+ t2) y(t) = at(1+ t2) (5)
ki pa ne vključujeta izolirane točke O
51
Toksoida je algebrska krivulja tretje stopnje simetrična glede na os x
ki jo preseka za t = 0 v točki D(a0) kjer ima navpično tangento Krivulja
na prvi pogled ni nič posebnega a že D Uhlhorn je pokazal kako se kon-
struira njene posamezne točke in kako se z njo podvoji kocko
Slika 30 Konstrukcija točk toksoide
Do točke T na toksoidi pridemo takole V koordinatnem sistemu Oxy
za pozitiven a določimo točko D(a0) in skoznjo konstruiramo pravokot-
nico na os x torej premico x = a (slika 30) Na tej premici izberemo točko
A ki jo bomo spreminjali da bomo dobili krivuljo Skozi O in A nato
načrtamo premico p v A pa nanjo pravokotnico q ki seka abscisno os v
točki B V B postavimo na abscisno os pravokotnico r ki preseka premico
p v točki T Ko A potuje po premici x = a točka T opiše toksoido T brez
izolirane točke O
Da res dobimo toksoido T je treba samo zapisati enačbi y = tx premice
p in y = minus(x minus a)t + at premice q ter točki A(aat) in B(a(1 + t2)0) ter
T (a(1+t2)at(1+t2)) Koordinati točke T pa res dasta paramatrični enačbi
52
toksoide
Slika 31 Konstrukcija srednjih geometrijskih sorazmernic s toksoido
Iz podobnih trikotnikov ODA OAB in OBT na sliki 30 sledi relacija
∣OD ∣
∣OA∣=∣OA∣
∣OB∣=
∣OB∣∣OT ∣
kar pomeni da sta ∣OA∣ in ∣OB∣ srednji geometrijski sorazmernici daljic
∣OD ∣ = a in ∣OT ∣ = b Zato lahko izrazimo ∣OA∣ =3radica2b in ∣OB∣ =
3radicab2 na isti
način kot pri (3)
Če imamo že načrtano toksoido T potem srednji geometrijski sorazmer-
nici za a in b gt a dobimo tako da poiščemo presečišče T krožnice s sredi-
ščem v O skozi točko C(b0) in na zgoraj opisan način poiščemo premice
pq in r ter točki A in B (slika 31) Za b = 2a na ta način rešimo problem
podvojitve kocke ∣OA∣ = a 3radic
2
Ukrivljenost κ(t) toksoide T v točki ki ustreza parametru t brez težav
53
izračunamo iz njenih parametričnih enačb (5)
κ(t) =2(3t2 minus1)
a(1+10t2 +9t4)32
Opazimo da ukrivljenost menja predznak pri t = plusmn1radic
3 kar nam da točki
Pplusmn(4a3plusmn4aradic
39) v katerih ima T prevoja s tangentama s smernima koe-
ficientoma plusmnradic
3 Tangenti oklepata z osjo x kota plusmnπ3 Pritisnjena krožnica
v točki D ki ustreza t = 0 ima za polmer 1∣κ(0)∣ = a2 in središče v točki
S(3a20) (slika 32)
Slika 32 Prevoja toksoide T in pritisnjena krožnica v točki D
Prevoja sta konstruktibilna pri čemer si lahko pomagamo z vesico pis-
cis nad daljico OD Njeni točki Vplusmn sta narazen za aradic
3 premici skozi O
in Vplusmn pa določata smeri tangent v prevojih Prav tako je konstruktibilna
točka S V okolici točk D in Pplusmn je ujemanje toksoide s pritisnjeno krožnico
v D in tangentama v prevojih Pplusmn zelo dobro
54
Enačba toksoide T v polarnih koordinatah in ϕ je
(ϕ) =a
cos3ϕ
kar sledi iz njene implicitne oblike
a(x2 +y2) = x3
Pri tem je treba le upoštevati zvezi x2 +y2 = 2 in x = cosϕ
Polarna oblika je zelo primerna za študij inverzije na krožnici s središčem
v točki O in polmerom R Če je namreč lowast polarni polmer invertirane
krivulje mora veljati relacija
(ϕ)lowast(ϕ) =R2
Če izberemo R = a dobimo za inverzno sliko toksoide T krivuljo (slika 33)
T lowast ki ima nasledno enačbo v polarnih koordinatah
lowast(ϕ) = acos3ϕ
Slika 33 Inverzna slika T lowast toksoide T
55
Iz polarne oblike krivulje T lowast hitro izpeljemo še njeno implicitno enačbo
(x2 +y2)2 = ax3
Torej je T lowast algebrska krivulja četrte stopnje
Ploščino S lika ki ga ograjuje krivulja T lowast izračunamo po znani for-
muli
S = 2 sdot12 int
π2
0lowast2(ϕ)dϕ = a2
int
π2
0cos6ϕdϕ = a2 sdot
56
sdotπ2=
5πa2
32
Krivulja T lowast je simetrična glede na os x v točkah O in D ima navpični
tangenti največji odklon od osi x pa doseže v točkah Yplusmn(9a16plusmn3aradic
316)
kjer ima vodoravni tangenti in sicer pri polarnih kotih plusmnπ6
De Slusove pomnoževalke hiperkock
Podvojitev kocke je kot vemo klasični grški geometrijski problem ki se ga
ne da rešiti evklidsko to je samo z neoznačenim ravnilom in šestilom kar
so dokazali šele v 19 stoletju Problem zahteva določiti rob kocke ki ima
prostornino enako dvakratniku prostornine dane kocke To pomeni da
je treba za dano daljico a konstruirati tako daljico b za katero je b = a 3radic
2
Problem podvojitve kocke so Grki znali rešiti na več načinov Eden od njih
je možen s posebno ravninsko krivuljo z Dioklovo cisoido (več na primer
v [7])
Povsem smiselno se je vprašati kako bi pomnožili s faktorjem s gt 0
poljubno r-razsežno hiperkocko z robom a Njena prostornina je ar zato
je b = a rradics rob hiperkocke katere prostornina je s-kratnik prostornine
hiperkocke z robom a Dva primera sta trivialna Za r = 1 imamo daljico
56
njena rdquoprostorninardquo je kar njena dolžina a za r = 2 pa kvadrat čigar rdquopros-
torninardquo je kar njegova ploščina a2 Za r = 3 imamo opraviti z običajno
kocko z običajno prostornino a3 V prvih dveh primerih množenje s fak-
torjem s ni problematično saj s problemom lahko geometrijsko rešimo s
podobnimi trikotniki in z višinskim izrekom v pravokotnem trikotniku
Za r ge 4 si r-razsežno hiperkocko teže predstavljamo ker je ne moremo
realizirati z običajno geometrijo To pa ni ovira pri pomnožitvi take hiper-
kocke s številom s ker moramo znati samo njen rob a geometrijsko pom-
nožiti s številom rradics kar pa lahko naredimo v običajni ravnini V mate-
matični analizi je r-razsežna hiperkocka z robom a na primer kar r-kratni
kartezični produkt intervala [minusa2a2] s samim seboj to je množica
[minusa2a2]r = (x1x2 xr) isinRr ∶ ∣x1∣ le a2 ∣x2∣ le a2 ∣xr ∣ le a2
Oglejmo si de Slusove perle (2) z eksponenti mn =mminus 1 in p = 1 fak-
torjem k = 1 ter a gt 0 pri čemer je m sodo število to se pravi krivulje z
implicitno enačbo
ym = xmminus1(aminusx) (6)
oziroma xm + ym = axmminus1 Pri danem m označimo ustrezno krivuljo s Hm
Med njimi je tudi stara znanka x2 + y2 = ax krožnica s polmerom a2
in središčem v točki S(a20) Skupne vsem krivuljam so točke O(00)
Cplusmn(a2plusmna2) D(a0) ter navpični tangenti v O in D Krivulje Hm so za-
ključene in simetrične glede na os x in se dajo lepo parametrizirati z y = tx
Za vsako dobimo parametrično enačbo
x(t) =a
1+ tm y(t) =
at1+ tm
(7)
Najbolj se taka krivulja oddalji od abscisne osi za t = 1 mradicmminus1 v točkah
Yplusmn(a(mminus1)mplusmnam mradic
(mminus1)mminus1) Za t = 0 dobimo točko D za ∣t∣rarrinfin pa
57
se krivulja bliža točki O Slika 34 kaže nekaj primerov
Slika 34 Nekaj krivulj Hm
Naj bo s poljubno pozitivno število in A(0as) točka na osi y Premica
skozi A in D preseka krivuljo Hm v točkah D(a0) in B(x0y0) za katero
potrebujemo samo razmerje y0x0 Na sliki 35 je izbran eksponent m = 4
Premica skozi A in D ima enačbo xa+sya = 1 iz katere izrazimo aminusx = sy
in vstavimo v enačbo (6) Dobimo ym = ysxmminus1 Ker iščemo točko B s
pozitivno ordinato lahko z y krajšamo in dobimo y0x0 =mminus1radics
Premica skozi O in B ima enačbo y = y0xx0 in preseka premico x = a
v točki C(aay0x0) oziroma C(aa mminus1radics) Zato je ∣DC∣ = ∣OD ∣ mminus1
radics) V
primeru m = 4 in s = 2 je ∣DC∣ = ∣OD ∣3radic
2) kar pomeni da se nam je pos-
rečilo podvojiti trirazsežno kocko Za s = 3 kocko potrojimo za s = 4
početverimo itd Še več zam = 6 in s = 2 podvojimo 5-razsežno hiperkocko
58
za s = 3 jo potrojimo za s = 4 početverimo itd
Slika 35 Krivulja H4 in pomnožitev roba trirazsežne kocke
Lihih m nam ni treba posebej obravnavati ker krivulje Hm ne bi bile
prave de Slusove perle Poleg tega bi tedaj bil mminus 1 sodo število denimo
m minus 1 = 2αq z naravnim α in lihim q Korenjenje se potem da izvesti z
α-kratnim kvadratnim korenjenjem in enim q-tim korenjenjem s krivuljo
Hq+1 kakor smo zgoraj opisali
Drug način za pomnožitev hiperkock poteka s cisoidami Cm krivuljHm
in premice x = a Pri parametru t premica y = tx preseka premico x = a
v točki C(aat) točka B pa ima tedaj koordinati dani z parametričnima
enačbama (7) S koordinatami točk B in C imamo takoj
ETHBC = (aminus
a1+ tm
at minusat
1+ tm) = (
atm
1+ tmatm+1
1+ tm)
59
Slika 36 Nekaj krivulj Cm
Da bo točka T na cisoidi Cm mora veljati zvezaETHOT =
ETHBC Potemtakem ima
Cm parametrični enačbi
x(t) =atm
1+ tm y(t) =
atm+1
1+ tm (8)
Ker je t = yx dobimo še implicitno enačbo krivulje Cm
xm+1 = ym(aminusx) (9)
oziroma x(xm+ym) = aym Krivulje so za sodem definirane nad intervalom
60
[0a) so simetrične glede na os x imajo za asimptoto premico x = a in
potekajo skozi koordinatno izhodišče O in točki Cplusmn(a2plusmna2) Asimptoti
se krivulja bliža ko ∣t∣ rarr infin V točki O pri t = 0 imajo ost z vodoravno
tangento Za m = 2 dobimo staro znanko Dioklovo cisoido
Slika 37 Krivulja C4 in pomnožitev roba 5-razsežne hiperkocke
Izberimo sedaj na ordinatni osi točko A(0as) pri čemer je s pozi-
tivno število in vzemimo premico skozi točki A in D (slika 37) Ta ima
enačbo xa + y(as) = 1 iz katere izrazimo a minus x = ys Premica preseka
cisoido Cm v točki M(x0y0) s pozitivno ordinato Iz enačb premice skozi
A in D in (9) dobimo y0x0 = m+1radics Premica skozi točki O in M ima
enačbo y = y0xx0 in preseka premico x = a v točki E(aa m+1radics) Torej velja
61
zveza ∣DE∣ = ∣OD ∣ m+1radics kar pomeni da smo našli rob (m + 1)-razsežne
hiperkocke ki ima za prostornino s-kratnik prostornine dane (m + 1)-
razsežne hiperkocke
Naj bo Sm ploščina lika ki ga omejuje krivulja Hm in Qm ploščina
neomejenega lika ki ga omejuje krivulja Cm z asimptoto Ni ju težko
izraziti
Pm =a2(mminus1)πm2 sin π
m Qm =
a2(m+1)πm2 sin π
m
Nadalje naj bo Vm prostornina telesa ki nastane z rotacijo krivulje Hm
okoli osi x Wm pa prostornina neomejenega telesa ki nastane z rotacijo
krivulje Cm okoli osi x Prav tako ju ni težko izraziti
Vm =2a3(mminus1)(mminus2)π2
3m3 sin 2πm
Wm =2a3(m+1)(m+2)π2
3m3 sin 2πm
Ploščine in prostornine so poleg drugega zanimale že matematike v
17 stoletju zlasti C Huygensa Izračunajmo prostornino telesa Um ki
nastane z rotacijo lika med cisoido in njeno asimptoto okoli te asimptote
(slika 38) Uporabili bomo sodobne zapise in Eulerjevi funkciji B in Γ ki
ju C Huygens še ni mogel poznati Presek nastalega telesa na višini y je
krog s polmerom aminusx in ploščino π(aminusx)2 Upoštevamo še simetrijo lika
glede na os x uporabimo parametrično obliko (8) in nastavimo integral
Um = 2πintinfin
0(aminusx(t))2y(t)dt = 2πa3
int
infin
0
tm(tm +m+1)(1+ tm)4 dt
ki ga lahko izrazimo v obliki
Um = 2πa3(I2 + (mminus1)I3 minusmI4)
pri čemer je
Ik = intinfin
0
dt
(1+ tm)k
62
ki ima za m ge 2 in k ge 1 končno vrednost S substitucijo u = 1(1 + tm)
dobimo
Ik =1m int
1
0ukminus1minus1m(1minusu)1mminus1du =
1m
B(kminus1m1m) =Γ(k minus1m)Γ(1m)
mΓ(k)
Na koncu je rezultat zelo preprost
Um =2π2a3(m2 minus1)
3m3 sin πm
Prve tri prostornine so
U2 =π2a3
4 U4 =
5radic
2π2a3
32 U6 =
35π2a3
162
Slika 38 Telo nastalo z zasukom lika med krivuljo C2 in njeno asimptoto
okoli te asimptote
Izračunajmo prostornino telesa Um ki nastane z rotacijo lika med cisoido
in njeno asimptoto okoli osi y (slika 39) Presek nastalega telesa na višini y
63
je krožni kolobar z notranjim polmerom x in zunanjim polmerom a ki ima
ploščino π(a2minusx2) Upoštevamo še simetrijo lika glede na os x uporabimo
parametrično obliko (8) in nastavimo integral
Um = 2πintinfin
0(a2 minusx2(t))y(t)dt = 2πa3
int
infin
0
tm(tm +m+1)(2tm +1)(1+ tm)4 dt
ki ga lahko izrazimo z zgoraj vpeljanimi integrali Ik v obliki
Um = 2πa3(2I1 + (2mminus3)I2 minus (3mminus1)I3 +mI4)
Na koncu dobimo za rezultat
Um =2π2a3(m+1)(2m+1)
3m3 sin πm
Prve tri prostornine so
U2 =5π2a3
4 U4 =
15radic
2π2a3
32 U6 =
91π2a3
162
V 17 stoletju so se zanimali tudi za težišča homogenih likov in teles
Lik ki ga omejuje krivulja Hm ima težišče na abscisni osi oddaljen za xT
od osi y Da bi lahko poiskali xT moramo najprej izračunati za ta lik
moment
Mm = 2inta
0xy dx = 2int
0
infinx(t)y(t)xdt = 2a3mint
infin
0
tm
(1+ tm)4 dt
Izrazimo z integrali Ik in dobimo
Mm = 2a3m(I3 minus I4) =πa3(mminus1)(2mminus1)
3m3 sin πm
Abscisa težišča lika je potem kvocient momenta Mm in ploščine Sm
xT =(2mminus1)a
3m
64
Slika 39 Telo nastalo z zasukom lika med krivuljo C2 in njeno asimptoto
okoli osi y
Lik omejen s krivuljo Cm ima težišče na abscisni osi oddaljen za xC
od osi y Da bi poiskali xC uporabimo kar PaposndashGuldinovo pravilo za
prostornino vrtenine
2πxC sdotQm = Um
kjer je Qm ploščina lika ki ga rotiramo okoli osi y Rezultat je proti vsem
pričakovanjem zelo preprost
xC =(2m+1)a
3m
Poznoantični matematik Papos iz Aleksandrije (290ndash350) v grščini Πάπ-
πος ὁ Αλεξανδρεύς v latinščini Pappus je pomemben ker je zbral prak-
tično vse dotakratno matematično znanje Grkov in dodal še marsikaj svo-
65
jega Njegovo najpomembnejše delo je rdquoZbirkardquo v grščini Συναγωγή Uk-
varjal se je tudi s klasičnimi grškimi geometrijskimi problemi
Jezuit Paul Guldin (1577ndash1643) je bil švicarski matematik in astronom
profesor matematike na Dunaju in v Gradcu Pred tem je študiral v Rimu
Skupaj s Paposom je znan
po pravilih za izračun prostornine rotacijskega telesa in površine rotacij-
ske ploskve
Slika 40 Telo nastalo z zasukom lika ki ga omejuje H4 okoli osi y
ProstorninaXm vrtenine ki nastane z rotacijo lika omejenega s krivuljo
Hm okoli osi y je po PaposndashGuldinovem pravilu za prostornino enaka
Xm = 2πxT sdot Pm = 2π(2mminus1)a
3msdota2(mminus1)πm2 sin π
m=
2π2a3(2mminus1)(mminus1)3m3 sin π
m
Slika 40 kaže vrtenino za primer krivulje H4 Podobne slike bi dobili tudi
za druge Hm
Če isti lik rotiramo okoli premice x = a tangente na krivuljo Hm v
točki D dobimo vrtenino s prostornino Ym ki jo izračunamo prav tako
66
po PaposndashGuldinovem pravilu za prostornino in dobimo
Ym = 2π(aminusxT ) sdot Pm = 2π(m+1)a
3msdota2(mminus1)πm2 sin π
m=
2π2a3(m2 minus1)3m3 sin π
m
Opazimo da je prostornina Ym enaka prostornini Um telesa ki nastane
z rotacijo lika med krivuljo Cm in njeno asimptoto okoli te asimptote
Dokler ni bil razvit infinitezimalni račun kakršnega poznamo danes
so računali ploščine težišča prostornine in površine za vsak primer pose-
bej Veliko so se v 17 stoletju pa tudi že prej znani matematiki ukvarjali
s cikloido na primer N Kuzanski M Mersenne G Galilei G P de Rober-
val C Wren G Cardano B Pascal I Newton G W Leibniz C Huygens
je neko njeno lastnost uporabil pri izdelavi ure na nihalo
Evdoksova kampila
Oglejmo si naslednjo konstrukcijo točk krivulje V točki D(a0) pri čemer
je a gt 0 postavimo pravokotnico p na abscisno os Na p izberemo točko
A ki jo bomo kasneje premikali po tej premici Skozi O in A načrtamo
premico q in skozi A krožnico s središčem v koordinatnem izhodišču O
Krožnica preseka abscisno os v točkah B in Bprime ki sta simetrični glede na
točko O V B in Bprime konstruiramo pravokotnici r in rprime na os x ki presekata
p v točkah T in T prime ki sta tudi simetrični glede na točko O Ko teče točka
A po premici p opišeta T in T prime dvodelno krivuljo ki so jo poimenovali
rdquoEvdoksova kampilardquo Točka T opiše njeno desno vejo T prime pa levo Krivulja
je očitno simetrična glede na obe koordinatni osi (slika 41)
Enačbo desne veje dobljene Evdoksove kampile je najlaže najprej izraz-
iti v polarnih koordinatah nato pa še v implicitni obliki v pravokotnih
67
Slika 41 Konstrukcija točk Evdoksove kampile
kartezičnih koordinatah Za polarni kot ϕ vzamemo naklonski kot pre-
mice q za polarni radij pa razdaljo ∣OT ∣ (slika 41) Najprej očitno veljata
zvezi ∣OA∣ = ∣OD ∣cosϕ = acosϕ in = ∣OT ∣ = ∣OB∣cosϕ = ∣OA∣cosϕ iz
katerih dobimo = acos2ϕ tako da je nazadnje pri pogoju minusπ2 ltϕ ltπ2
polarna enačba desne veje Evdoksove kampile
(ϕ) =a
cos2ϕ (10)
Obe veji krivulje imata implicitno obliko
a2(x2 +y2) = x4 (11)
ki jo dobimo iz polarne oblike z upoštevanjem zvez 2 = x2 + y2 in cosϕ =
x Krivulja v obliki (11) ima izolirano točko O(00) ki je posledica del-
jenja z ki je lahko tudi enak 0 Evdoksova kampila je algebrska krivulja
četrte stopnje
Z Evdoksovo kampilo se da podvojiti kocko Načrtamo krožnico s
središčem v točkiD in polmerom a Njena enačba je x2+y2 = 2ax Vstavimo
68
Slika 42 Podvojitev kocke z Evdoksovo kampilo
2ax namesto x2 + y2 v (11) in dobimo enačbo x4 minus2a3x = x(x3 minus2a3) = 0 ki
ima realni rešitvi x0 = 0 in x1 = a 3radic
2 V prvem kvadrantu se krožnica in
Evdoksova kampila sekata v točki T (a 3radic
2aradic
2 3radic
2minus 3radic
4) kar pomeni da
ima točka T absciso
∣T0T ∣ = b = a 3radic2
Kocka z robom b ima prostornino b3 = 2a3 torej dvakratnik prostornine
kocke z robom a
Grška beseda καμπύλος pomeni rdquokriv zavit upognjenrdquo v ženski ob-
liki καμπύλη beseda γραμμή pa rdquočrta potezardquo Polno ime krivulje je v
grščini καμπύλη γραμμή torej rdquokriva črtardquo na kratko so jo poimenovali kar
rdquokampilardquo kateri so dodali še Evdoksovo ime Evdoks iz Knida (408ndash355
pnš) Εὔδοξος ὁ Κνίδιος je bil starogrški matematik in astronom Bil je
Arhitov učenec v Tarentu grško Τάρας in Platonov na Akademiji v Ate-
nah Obiskal je tudi Sicilijo in Egipt Kasneje je ustanovil svojo šolo v
Kiziku grško Κύζικος ob Mramornem morju ali Propontidi grško Προ-
ποντίς Pomemben je njegov doprinos v teoriji razmerij in nesoizmerljivih
količin kar je uporabil Evklid Εὐκλείδης v svojih Elementih Στοιχεῖα
69
Grška beseda εὔδοξος pomeni med drugim rdquosloveč slaven ugledenrdquo
V astronomiji je Evdoks zagovarjal geocentrični svetovni sistem in za
pojasnitev gibanja planetov in Lune uvedel sistem koncentričnih sfer ki
se vrtijo ena v drugi S tem v zvezi je uvedel še eno krivuljo ki jo poznamo
pod imenom rdquoEvdoksova hipopedardquo
Problem podvojitve kocke je na svojevrsten način s torusom valjem
in stožcem rešil pitagorejec in vojaški poveljnik Arhitas iz Tarenta v južni
Italiji grško Αρχύτας ὁ Ταραντίνος rojen med letoma 435 in 410 umrl
pa med letoma 360 in 350 pnš Morda je Evdoks Arhitovo prostorsko
rešitev problema podvojitve kocke poenostavil na reševanje v ravnini in
tako prišel do svoje kampile Dokazano to ni nikjer ve se le da mu je
rešitev uspelo najti z neko krivuljo Način reševanja pa je podoben reše-
vanju z Uhlhornovo toksoido ki ima tudi podobno enačbo v polarni obliki
(ϕ) = acos3ϕ
Tako Uhlhornova toksoida kot Evdoksova kampila spadata v skupino
Clairautovih krivulj = acosnϕ ali = asinnϕ Če je n racionalno število
je Clairautova krivulja algebrska Alexis Claude Clairaut (1713ndash1765) je
bil francoski matematik in astronom
Evdoksovo kampilo brez izolirane toke O parametriziramo kar s po-
larnim kotom
x(ϕ) =a
cosϕ y(ϕ) =
asinϕcos2ϕ
Njena ukrivljenost κ(ϕ) se izraža v obliki
κ(ϕ) =cos3ϕ(3sin2ϕ minus1)
a(3sin2ϕ +1)32
Ukrivljenost spremeni predznak pri kotu ϕ za katerega je 3sin2ϕ minus1 = 0
V takih točkah ima krivulja prevoje Evdoksova kampila ima štiri in sicer
70
Slika 43 Desna veja Evdoksove kampile prevoja in pritisnjena krožnica
v točkah (plusmnaradic
62plusmnaradic
32) Strmini tangent v teh točkah sta plusmn2radic
2 Os x
presekata za desno vejo v točki G(3aradic
680) Krivinski polmer v točkah
D inDprime je enak a Središče pritisnjene krožnice v točkiD je v točki S(2a0)
Približno ujemanje krivulje tangent v prevojih Pplusmn in pritisnjene krožnice v
temenu D kaže slika 43 Ujemanje bi lahko izkoristili za približno podvo-
jitev kocke Če namesto Evdoksove kampile vzamemo kar njeno tangento
y = 2radic
2(xminusaradic
62)+aradic
32
v prevoju v prvem kvadrantu in poiščemo absciso ξ presečišča s krožnico
x2 +y2 = 2ax dobimo
ξa=
118
radic
24radic
6minus23+
radic6
3+
19≐ 1259956951
namesto točnejše vrednosti
3radic
2a
≐ 1259921049
71
Če bi podoben račun naredili za Uhlhornovo toksoido ki se v prevojih
tudi približno ujema s tangentama bi dobili slabši rezultat
Zgoraj opisani približek lahko izkoristimo za precej natančno evklid-
sko konstrukcijo roba b podvojene kocke z robom a V koordinatnem sis-
temu Oxy narišemo krožnico s polmerom a s središčem v točki D(a0)
skozi O pa konstruiramo premico p z naklonskim koeficientom k = 2radic
2
Na abscisni osi konstruiramo točkoG(3aradic
680) in skoznjo premico q vz-
poredno s p Presečišče te premice s krožnico je točka T njena pravokotna
projekcija na os y pa točka T0 Razdalja b = ∣T0T ∣ je dober približek za
a 3radic
2 (slika 44) Pri tem izkoristimo izraza za diagonalo kvadrata in višino
enakostraničnega trikotnika v katerih nastopataradic
2 inradic
3 s kombinacijo
obeh pa šeradic
6 Podrobnosti so izpuščene z malo truda lahko konstrukcije
izvede vsak sam
Slika 44 Približna podvojitev kocke
Zrcalno sliko Evdoksove kampile (11) na krožnici x2 + y2 = a2 takoj
dobimo iz polarne oblike njene desne veje lowast(ϕ) = acos2ϕ Z zapisom v
pravokotnih kartezičnih koordinatah dobimo implicitno obliko za celotno
prezrcaljeno krivuljo
(x2 +y2)3 = a2x4
72
Krivulja je algebrska šeste stopnje Simetrična je glede na obe koordinatni
osi Njeni največji odkloni od osi x so pri polarnih kotih ϕ za katere je
3sin2ϕ = 1 to je v točkah (plusmn2aradic
69plusmn2aradic
39) kjer ima krivulja vodo-
ravni dvojni tangenti
Slika 45 Zrcaljenje Evdoksove kampile na krožnici
Nova krivulja spada med Clairautove Ploščina P obeh delov jajčastih
oblik je
P = 4 sdota2
2 intπ2
0cos4ϕdϕ = 2a2 sdot
34
sdotπ2=
3πa2
8
Problem podvojitve kocke grško διπλασιασμός τοῦ κύβου ali deloški
problem poimenovan po grškem otoku Delosu v Egejskem morju je reše-
valo več grških geometrov ki so celo skušali izdelati v ta namen posebno
orodje Platon je pograjal Evdoksove Arhitove in Menajhmove učence
češ da njihovi napori kvarijo kar je dobrega v geometriji Nastal je celo
epigram (puščica zbadljivka) v zvezi s podvojitvijo kocke ki je zapisan v
Evtokijevih komentarjih k Arhimedovi razpravi rdquoO krogli in valjurdquo grško
Περὶ σφαίρας καὶ κυλίνδρου Matematik in neoplatonist Evtokij iz Aškalona
v Palestini Εὐτόκιος ὁ Ασκαλονίτης je bil poznoantični matematik rojen
73
okoli leta 480 umrl pa je okoli leta 520 O njem se ve bore malo Nekaj
časa je deloval v Atenah nazadnje pa v Aleksandriji Napisal je tudi ko-
mentarje k Apolonijevi razpravi rdquoStožnicerdquo v grščini Κωνικά Na stožnice
se je v srednjem kar nekoliko pozabilo zanimanje zanje je spet oživelo
šele v času Keplerja in Newtona ko je bil potreben opis gibanja planetov
v heliocentričnem svetovnem sistemu
Navedimo omenjeni epigram v grščini in v prevodu S Weiss (vzeto iz
obsežnega knjižnega dela v treh delih [3])
Μηδὲ σύ γrsquo Αρχύτεω δυσμήχανα ἔργα κυλίνδρων
μηδὲ Μεναιχμείους κωνοτομεῖν τριάδας
διζήσηι μηδrsquo εἴ τι θεουδέος Εὐδόξοιο
καμπύλον ἐν γραμμαῖς εἶδος ἀναγράφεται
Težkih Arhitovih del s cilindri nikar ne posnemaj
stožnic Menajhmovih treh nikdar izsekal ne boš
niti ne boš spoznal če božanskega črte Evdoksa
res zarišejo lik tak iz zavitih kampil
Videli smo kaj vse se da povedati o neki krivulji če obvladamo in-
finitezimalni račun Seveda nam je to sedaj ko imamo na voljo najnovejše
pripomočke in obsežno ter dostopno matematično literaturo veliko laže
kot je bilo matematikom v 17 stoletju ko so v marsičem še orali ledino
Pomembni znanstveniki rojeni v 17 stoletju
Navedimo nekaj pomembnih znanstvenikov predvsem matematikov fizi-
kov in astronomov ki so se rodili v 17 stoletju Razvrščeni so po letnicah
74
rojstva Veliko podatkov dobimo v [1 5] in na svetovnem spletu
Gilles Personne de Roberval (1602ndash1675)
Pierre de Fermat (1607ndash1665)
Giovanni Alfonso Borelli (1608ndash1679)
Evangelista Torricelli (1608ndash1647)
John Pell (1610ndash1685)
Johann Hevel (1611ndash1687)
Frans van Schooten (1615ndash1660)
Carlo Renaldini (1615ndash1698)
John Wallis (1616ndash1703)
Henry Oldenburg (1618ndash1677)
Michelangelo Ricci (1619ndash1682)
William Brouncker (1620ndash1684)
Edmeacute Mariotte (1620ndash1684)
Jean Picard (1620ndash1682)
Vincenzo Viviani (1622ndash1703)
Reneacute-Franccedilois de Sluse (1622-1685)
Blaise Pascal (1623ndash1662)
Giovanni Domenico Cassini (1625ndash1712)
Robert Boyle (1627ndash1691)
Christiaan Huygens (1629ndash1695)
Isaac Barrow (1630ndash1677)
Ehrenfried Walther von Tschirnhaus (1631ndash1708)
Christopher Wren (1632ndash1723)
Johann Hudde (1633ndash1704)
Robert Hooke (1635ndash1703)
75
William Neile (1637ndash1670)
James Gregory (1638ndash1675)
Philippe de la Hire (1640ndash1719)
Isaac Newton (1643ndash1727)
Olaus Roslashmer (1644ndash1710)
Gottfried Wilhelm Leibniz (1646ndash1716)
Denis Papin (1647ndash1712)
Michel Rolle (1652ndash1719)
Pierre Varignon (1654ndash1722)
Jacob Bernoulli (1655ndash1705)
Edmund Halley (1656ndash1742)
Guillaume Franccedilois Antoine LrsquoHocircpital (1661ndash1704)
David Gregory (1661ndash1708)
Abraham de Moivre (1667ndash1754)
Johann Bernoulli (1667ndash1748)
Jacopo Francesco Riccati (1676ndash1754)
Giulio Carlo Fagnano (1682ndash1766)
Roger Cotes (1682ndash1716)
Reneacute Antoine Reacuteaumur (1683ndash1757)
Greacutegoire de Saint-Vincent (1584ndash1667)
Brook Taylor (1685ndash1731)
Gabriel Daniel Fahrenheit (1686ndash1736)
Colin Maclaurin (1698ndash1746)
Pierre Louis Moreau de Mapertuis (1698ndash1759)
76
Viri
[1] I Asimov Biografska enciklopedija znanosti in tehnike Tehniška za-
ložba Slovenije Ljubljana 1978
[2] J Bair V Henry Sluse ses perles et son algorithme Losanges 14
(2011) str 14ndash18 httphdlhandlenet2268100155 (videno 10
7 2021)
[3] G Kocijančič (urednik) Fragmenti predsokratikov Študentska za-
ložba Ljubljana 2012
[4] G Loria Spezielle algebraische und transscendente ebene Kurven
Teubner Leipzig 1902
[5] U C Merzbach C B Boyer A History of Mathematics John Wiley amp
Sons Hoboken New Jersey 2011
[6] J J OrsquoConnor E F Robertson Reneacute Franccedilois Walter de Sluze MacTu-
tor
httpsmathshistoryst-andrewsacukBiographiesSluze
(videno 10 7 2021)
[7] B von Pape Von Eudoxus zu Uhlhorn Books on Demand Norderstedt
2019
[8] M Razpet Pomnožitev hiperkocke Obzornik mat fiz 68 (2021) št 1
str 1-9
[9] M Razpet in N Razpet Prepogibanje papirja podvojitev kocke in
Slusova konhoida Obzornik mat fiz 67 (2020) št 2 str 41-51
77
[10] Y Renotte Reneacute de Sluze dialogues avec Christiaan Huygens
Bulletin de lrsquouniversiteacute du 3e acircge - Liegravege 23 (2021) 4 strani
httphdlhandlenet22682596400 (videno 10 7 2021)
[11] R F Slusius Mesolabum seu duaelig mediaelig proportionales inter ex-
tremas datas per circulum et ellipsim vel hyperbolam infinitis modis
exhibitaelig Leodii Eburonum Liegravege 1659
[12] R F Slusius Mesolabum seu duaelig mediaelig proportionales inter ex-
tremas datas per circulum et per infinitas hyperbolas vel ellipses et
per quamlibet exhibitaelig ac problematum omnium solidorum effectio
per easdem curvas Leodii Eburonum Liegravege 1668
[13] D Uhlhorn Entdeckungen in der houmlhern Geometrie theoretisch und
practisch abgehandelt Schulzersquosche Buchhandlung Oldenburg 1809
[14] I Vidav Algebra Mladinska knjiga Ljubljana 1972
Avtor se zahvaljuje prof dr Milanu Hladniku za strokovni pregled
copy(2021) Marko Razpet
78
odpravljen Uporabljali so se predvsem petdesetstopinjski termometri
Taki termometri so večinoma služili za določanje nihanja temperature zra-
ka v zaprtih prostorih in na prostem Oblikovanje termometra je takrat
pomenilo tudi določitev njegove merilne lestvice vendar še brez Celzijevih
ali Fahrenheitovih stopinj Pri tem so bile stopinje enakomerno razpore-
jene med dvema skrajnostma in sicer med nivojem najhladnejše tekočine
pozimi (nizka točka) in nivojem najbolj vroče tekočine poleti (visoka točka)
Zaradi teh zelo relativnih vrednosti je primerjava meritev med dvema ter-
mometroma nezanesljiva Ob upoštevanju pripomb jo je večkrat spreme-
nil in jo ponovno predložil Oldenburgu do leta 1669 ko je R Boyle izrazil
negativno mnenje glede topnosti voska kroglic v slani tekočini Po tem da-
tumu termometer ni bil nikoli več omenjen De Sluse je zboljšal različne
instrumente ure številčnice barometre Ker ga je motilo prerekanje med
raziskovalci glede avtorstva odkritij je po Oldenburgovi smrti leta 1677
končal svojo znanstveno dejavnost
Šele v 18 stoletju so razvijali temperaturne merilne lestvice C Re-
naldini (1694) O C Roslashmer (1702) G Fahrenheit (1717) Reneacute-Antoine
F de Reacuteaumur (1730) in A Celsius (1741) Enota kelvin (K ndash v čast lordu
Kelvinu 1824-1907) osnovna enota mednarodnega sistema enot za tem-
peraturo je bila uvedena šele leta 1954
De Sluse je bil tudi zgodovinar Napisal je knjigo o smrti sv Lam-
berta škofa v Tongresu ki je bil ubit na kraju kamor je sv Hubert njegov
naslednik prenesel sedež svoje škofije Kraj se je kasneje razvil v Liegravege
Druga zgodovinska študija se nanaša na slavnega maastrichtskega škofa
sv Servacija Med de Slusovimi neobjavljenimi rokopisi je tudi zgodovina
Koumllna Pripomnimo še da je sv Hubert zavetnik lovcev matematikov
optikov in kovinarjev
21
O širini de Sluzovih interesov priča raznolikost tem ki so zajete na
več sto straneh njegovega dela neobjavljenih rokopisov ki jih zdaj hrani
Narodna knjižnica Bibliotheque Nationale v Parizu Čeprav se je ukvarjal
predvsem z matematiko njegovi rokopisi obravnavajo tudi astronomijo
fiziko in naravoslovje
De Slusove perle
Po de Slusu so po zaslugi B Pascala (več o tem v [4]) imenovane tudi
krivulje rdquode Slusove perlerdquo to so krivulje ki se v pravokotnem kartezi-
čnem koordinatnem sistemu Oxy izražajo z enačbo
ym = kxn(aminusx)p (2)
Pri tem so eksponenti mn in p naravna števila a in k pa pozitivni kon-
stanti Glede na parnost eksponentovmn in p formalno razlikujemo osem
možnosti od katerih imamo opravka s perlami le v primeru ko je m sodo
število s pravimi perlami pa v primeru ko je m sodo število n in p pa lihi
števili (slika 10) Skupno tem krivuljam so simetričnost glede na os x in
presečišča s to osjo pri x = 0 in x = a De Sluse je po svoje brez uporabe
odvoda izračunal da njegove perle dosegajo lokalne ekstreme največji
odstop od osi x med 0 in a za x = na(n+p)
V teh primerih je ploščina S lika ki ga ograjuje zanka perle enaka
S = 2k1mint
a
0xnm(aminusx)pmdx = 2k1ma(m+n+p)mint
1
0tnm(1minus t)pmdt
Integracijsko spremenljivko x smo zamenjali z novo spremenljivko t prek
relacije x = at da smo dobili obliko ki jo lahko izrazimo z Eulerjevima
22
Slika 10 Primeri de Slusovih perl
funkcijama B in Γ
S = 2k1ma(m+n+p)mB(nm+1pm+1) =
= 2k1ma(m+n+p)mΓ(nm+1)Γ(pm+1)
Γ((n+p)m+2)=
= 2k1ma(m+n+p)mnp
(m+n+p)(n+p)
Γ(nm)Γ(pm)
Γ((n+p)m)
Pri rotaciji okoli osi x ta lik v prostoru opiše telo s prostornino
V =πk2mint
a
0x2nm(aminusx)2pmdx =πk2ma(m+2n+2p)m
int
1
0t2nm(1minust)2pmdt
23
Slika 11 Zasuk de Slusove perle za m = 2n = 3p = 1k = 001 okoli osi x
Integracijsko spremenljivko x smo tudi to pot zamenjali z novo spremenljivko
t prek relacije x = at da smo dobili obliko ki jo lahko izrazimo z Eulerje-
vima funkcijama B in Γ
V =πk2ma(m+2n+2p)mB(2nm+12pm+1) =
=πk2ma(m+2n+2p)mΓ(2nm+1)Γ(2pm+1)Γ((2n+2p)m+2)
=
= 2πk2ma(m+2n+2p)m np
(m+2n+2p)(n+p)Γ(2nm)Γ(2pm)
Γ((2n+2p)m)
Poseben primer de Slusove perle
Natančneje bomo obravnavali de Slusovo perlo samo primer za m = n = 2
p = 1 in k = 1a to se pravi krivuljo K ki ima implicitno enačbo ay2 =
x2(a minus x) To pa zato ker se posamezne točke te krivulje da preprosto
konstruirati z osnovnim geometrijskim orodjem
24
Geometrijska konstrukcija in analitična obravnava
Do posameznih točk T krivulje K pridemo s preprosto geometrijsko kon-
strukcijo (slika 12) V pravokotnem kartezičnem koordinatnem sistemu
Oxy načrtamo premico x = a kjer je a pozitivna konstanta Skozi koordi-
natno izhodišče O potegnemo premico p ki ima enačbo y = tx in preseka
premico x = a v točki A(ata) Parameter t smerni koeficient premice p s
katerim je sorazmerna ordinata točkeA bomo kasneje spreminjali V točki
A na p postavimo pravokotnico q ki seka os x v točki B V B načrtamo na
q pravokotnico r ki seka premico x = a v točki C nazadnje pa skozi C še
pravokotnico s na r Presečišče premic p in s naj bo točka T (xy) Sedaj
bomo izrazili njeni koordinati x in y s parametrom t
Slika 12 Konstrukcija točke T de Slusove perle K
Premica q ima enačbo y = minus(x minus a)t + at in preseka os x v točki B(a +
at20) Premica r ima enačbo y = t(x minus aminus at2) in preseka premico x = a v
točki C(aminusat3) premica s pa enačbo y = minus(xminus a)t minus at3 Koordinati točke
T sta rešitvi sistema enačb
y = tx y = minusxminusat
minusat3
25
Po krajšem računu dobimo
x(t) = a(1minus t2) y(t) = at(1minus t2) (3)
To sta parametrični enačbi krivulje K Ko spreminjamo t po vseh realnih
vrednostih oziroma ko A drsi po premici x = a točka T (xy) opiše krivuljo
K (slika 13) z zanko ki spominja na perlo
Če si mislimo da je parameter t čas enačbi (3) predstavljata sestav-
ljeno gibanje točkaste mase v dveh med seboj pravokotnih smereh v koor-
dinatni ravnini v smeri osi x po pravilu prve enačbe v smeri osi y pa po
pravilu druge enačbe Tirnica takega gibanja je krivulja K Podoben le da
bolj preprost primer imamo tudi pri gibanju točkaste mase pri poševnem
metu
Slika 13 De Slusova perla K
Ko se t spreminja od zelo velikih negativnih vrednosti potuje T po
loku v drugem kvadrantu navzdol in doseže za t = minus1 prvič točko O Za
minus1 le t le 0 opiše lok v četrtem kvadrantu odO do temenaD(a0) za 0 le t le 1
opiše lok v prvem kvadrantu od D do točke O ki jo doseže drugič za t = 1
za t gt 1 pa se spusti po loku v tretjem kvadrantu navzdol
26
Če upoštevamo (3) dobimo
x2(t)(aminusx(t)) = a2(1minus t2)2 sdotat2 = a(at(1minus t2))2 = ay2(t)
To pomeni da je ay2 = x2(aminusx) implicitna enačba krivulje K in da je K al-
gebrska krivulja tretje stopnje Krivulja K je simetrična glede na os x Za
točke ki so zelo blizu koordinatnemu izhodiščuO je člen x3 zanemarljivo
majhen v primerjavi s kvadratnima členoma zato je tam enačba krivulje
K približno ay2 = ax2 oziroma (y minusx)(y +x) = 0 Ta enačba razpade na dve
y = x in y = minusx V točki O ima krivulja tangenti y = x in y = minusx ki se sekata
pravokotno V točki D je tangenta na krivuljo premica x = a Krivulja ima
na zanki dve glede na os x simetrično ležeči lokalno ekstremni točki v ka-
terih je tangenta vzporedna z osjo x To sta točki Mplusmn(2a3plusmn2aradic
39) De
Sluse jih je na svojevrsten način pravilno izračunal čeprav je bilo v nje-
govem času računanje z odvodi še v zametkih Da bi pravilnost ekstrem-
nih točk preverili brez odvoda uporabimo kvadrat ekstremne ordinate ki
je y2M = 4a227 in zapišimo izraz
ay2M minusx2(aminusx) = 4a327minusax2 +x3 = (xminus2a3)2(x+a3)
ki je za 0 lt x lt a nenegativen in enak 0 za x = 2a3 To pomeni da je
tedaj x2(a minus x) le 4a327 in največja ordinata na zanki krivulje je 2aradic
39
najmanjša pa minus2aradic
39 oboje pri x = 2a3 (slika 14)
Z uporabo odvoda gre vse veliko hitreje Ordinata y doseže ekstrem
takrat kot ay2 Zato je vseeno če poiščemo ekstrem enostavnejše funkcije
g(x) = x2(a minus x) = ax2 minus x3 Potreben pogoj za to je g prime(x) = 2ax minus 3x2 = 0
Dobimo stacionarni točki x1 = 0 in x2 = 2a3 Uporabimo še g primeprime(x) = 2aminus6x
Ker je g primeprime(x1) = 2a gt 0 in g primeprime(x2) = minus2a lt 0 ima funkcija g v točki x1 lokalni
minimum ki je enak 0 v točki x2 pa lokalni maksimum ki je enak 4a327
27
Slika 14 Lokalna ekstrema na de Slusovi perli K
Ekstremna točka na zanki kjer je tangenta vzporedna z osjo x je očitno
le v x2 kvadrat ekstremne ordinate je tedaj g(x2)a = 4a227 = 12a281
Ekstremni ordinati sta torej plusmn2aradic
39 pri abscisi 2a3
Abscise 2a3 ni težko geometrijsko konstruirati prav tako tudi ne or-
dinate 2aradic
39 ki je 29 razdalje ∣PminusP+∣ = aradic
3 kjer sta Pminus in P+ presečišči
krožnih lokov s središčema v točkahO inD in polmerom ∣OD ∣ To pomeni
da sta točki Pminus in P+ konstruktibilni
Če bi načrtali celotna krajša krožna loka med Pminus in P+ bi dobili med
njima lečast lik ki so mu nekoč rekli rdquovesica piscisrdquo kar dobesedno pomeni
rdquoribji mehurrdquo Lik je bil zelo znan v srednjeveški sakralni umetnosti
Čeprav v de Slusovem času še niso poznali odvoda funkcije v današn-
jem smislu so že vedeli zahvaljujoč Fermatu da ima funkcija v točki
lokalnega ekstrema vodoravno tangento
28
Spremljajoča parabola
Nastajanje krivulje K spremljajo še nekatere druge bolj ali manj znane
krivulje Najprej si oglejmo kaj dobimo če točko O pravokotno projici-
ramo na premice r in spreminjamo parameter t Dobljena projekcija naj
bo R (slika 15)
V prispevku se pogosto sklicujemo na povezavo med smernima koe-
ficientoma premice in pravokotnice nanjo Koeficienta sta si inverzna in
nasprotna Zato zlahka napišemo enačbo premice r in pravokotnice skozi
O nanjo
y = t(xminusaminusat2) y = minusxt
Njuno presečišče R ima koordinati
x(t) = at2 y(t) = minusat
Z izločitvijo parametra t dobimo y2 = ax kar pomeni da točke R pri spre-
minjanju točkeA po premici x = a opišejo parabolo rdquospremljajočo parabolordquo
ki ima gorišče v točki F(a40) in vodnico v z enačbo x = minusa4
Slika 15 De Slusova perla K in spremljajoča parabola
29
Ogrinjače
Ko drsi točka A po premici x = a premice s ogrinjajo neko krivuljo Ks
Premice s so v točki T krivulje K pravokotne na premice skozi O in T
Njeno enačbo dobimo po standardnem postopku Enačba premic s je
F(xyt) = y +xminusat
+at3 = 0
To je enoparametrična družina premic ki ogrinjajo krivuljo Ks imeno-
vano rdquoogrinjačardquo te družine (slika 16) V vsaki točki ogrinjače se jo dotika
ena premica v različnih točkah različne premice družine Enačbo njihove
ogrinjače v implicitni obliki dobimo tako da iz sistema enačb
Slika 16 De Slusova perla K in ogrinjače Ks Kq Kr
F(xyt) = 0partFpartt
(xyt) = 0
izločimo parameter t Iz enačbe
partFpartt
(xyt) = minus(xminusa)t2 +3at2 = 0
30
dobimo najprej xminusa = 3at4 kar vstavimo v prvo enačbo v sistemu in imamo
y = minus4at3 Dobili smo ogrinjačo v parametrični obliki
x(t) = a(1+3t4) y(t) = minus4at3
Izločimo t in enačba iskane ogrinjače Ks v implicitni obliki je pred nami
27y4 = 256a(xminusa)3
Ker je y dobljene krivulje sorazmeren s potenco (x minus a)34 lahko rečemo
da je ogrinjača premic s četrtkubična parabola
Podobno poiščemo ogrinjačo Kq premic q
F(xyt) = yt +xminusaminusat2 = 0partFpartt
(xyt) = y minus2at = 0
Ogrinjača v parametrični obliki je to pot
x(t) = a(1minus t2) y(t) = 2at
Z izločitvijo parametra t dobimo njeno enačbo v implicitni obliki
y2 = minus4a(xminusa)
Dobljena krivulja Kq je parabola z vodnico x = 2a in goriščem v točki O
(slika 16)
Nazadnje po enakem postopku kot doslej poiščemo še ogrinjačo Kr
premic r
F(xyt) = y minus tx+at +at3 = 0partFpartt
(xyt) = minusx+a+3at2 = 0
Ogrinjača v parametrični obliki je potem
x(t) = a(1+3t2) y(t) = 2at3
31
Z izločitvijo parametra t dobimo njeno enačbo še v implicitni obliki
27ay2 = 4(xminusa)3
Dobljena krivulja Kr je polkubična ali Neilova parabola z ostjo v točki
D(a0) kjer ima vodoravno tangento (slika 16) Krivuljo Ks smo up-
ravičeno imenovali četrtkubična parabola Slednja ima v točki D(a0)
navpično tangento
Edinole premice p od tistih ki sodelujejo v konstrukciji točk krivulje
K nimajo ogrinjače Vse premice p namreč potekajo skozi koordinatno
izhodišče O in očitno ne ogrinjajo nobene krivulje
Nožiščne krivulje
Novo krivuljoHprime dobimo če na tangente dane krivuljeH pravokotno pro-
jiciramo izbrano točko Φ Vse projekcije P nožišča točke Φ na tangentah
krivuljeH sestavljajo krivuljoHprime ki jo imenujemo rdquonožiščnardquo ali rdquopedalna
krivuljardquo krivulje H glede na točko Φ
Beseda rdquopedalenrdquo izhaja iz latinske rdquopedalisrdquo kar pomeni rdquonoženrdquo Os-
novna beseda je rdquopesrdquo v rodilniku ednine rdquopedisrdquo kar pomeni rdquonogardquo Od
tod izvirajo tudi besede rdquopedalordquo rdquopedalarrdquo in rdquopedalinrdquo
Poiščimo nekaj nožiščnih krivulj glede na koordinatno izhodišče O
Najprej za krivuljo K ki je poseben primer de Slusove perle Za odvod
v točki T isinK ki ustreza parametru t dobimo
dy
dx(x) =
y
x(t) =
3t2 minus12t
Enačbi tangente v T in pravokotnice skozi O nanjo pa se glasita
y minusat(1minus t2) =3t2 minus1
2t(xminusa(1minus t2)) y =
2t1minus3t2
x
32
Sekata se v točki P s koordinatama
x(t) =a(t2 minus1)2(1minus3t2)
9t4 minus2t2 +1 y(t) =
2at(t2 minus1)2
9t4 minus2t2 +1 (4)
S tem smo našli parametrični enačbi krivulje Kprime (slika 17) Do implicitne
enačbe je dolga pot prek rezultante dveh polinomov spremenljivke t od
katerih je prvi druge drugi pa pete stopnje Najprej opazimo da je v (4)
yx = 2t(1minus 3t2) kar lahko zapišemo kot p(t) = 3yt2 + 2xt minus y = 0 drugo
enačbo pa zapišemo v obliki q(t) = 2at5 minus 9yt4 minus 4at3 + 2yt2 + 2at minus y = 0
Zaradi enostavnosti smo pisali x in y brez argumenta t Da izločimo pa-
rameter t je treba zapisati rdquorezultantordquo R(p(t)q(t)) polinomov p(t) in
q(t) in jo izenačiti z 0 (glej [14])
R(p(t)q(t)) =
RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR
2a minus9y minus4a 2y 2a minusy 0
0 2a minus9y minus4a 2y 2a minusy
3y 2x minusy 0 0 0 0
0 3y 2x minusy 0 0 0
0 0 3y 2x minusy 0 0
0 0 0 3y 2x minusy 0
0 0 0 0 3y 2x minusy
RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR
= 0
Zadnji stolpec je deljiv z y Ker y = 0 ni del iskane nožiščne krivulje pre-
ostane ko izračunamo determinanto in jo okrajšamo z y in preuredimo
27y2(x2 +y2)2 +4ax(x2 minus9y2)(x2 +y2)minus4a2(x2 minusy2)2 = 0
Rezultat je torej algebrska krivulja šeste stopnje Krivulja je simetrična
glede na abscisno os točka O pa je njena posebna točka Za zelo majhne
x in y prevlada zadnji člen kar pomeni da sta premici y = x in y = minusx v O
tangenti na krivuljo
33
Slika 17 Nožiščna krivulja Kprime krivulje K glede na koordinatno izhodišče
Zanka krivulje Kprime nekoliko spominja na srčnico ali kardioido ki jo
opisujejo točke krožnice ki se brez drsenja kotali po enako veliki krožnici
Krivulja Kprime ima še neomejeni del ki se razteza po drugem in tretjem kvad-
rantu Poglejmo kako potuje točka po krivulji v parametrizaciji (4) ko
parameter t teče po številski premici Za t lt minus1 poteka krivulja po tretjem
kvadrantu pri čemer x(t)rarr minusinfin in y(t)rarr minusinfin ko t rarr minusinfin Pri t = minus1 točka
doseže O v obliki osti ki ima za tangento premico y = x Za minus1 lt t lt 0
potuje točka po četrtem kvadrantu doseže točko D pri t = 0 za 0 lt t lt 1
potuje naprej po prvem kvadrantu in pri t = 1 spet doseže O kjer ima
ost s tangento y = minusx nato nadaljuje pot po drugem kvadrantu pri čemer
x(t)rarr minusinfin in y(t)rarrinfin ko trarrinfin
Nožiščna krivulja malo prej obravnavane krivulje Ks glede na točko O
ni nič drugega kot krivulja K Premice s so namreč tangente na Ks nožišča
točke O na njej pa so točke krivulje K Lahko pa to preverimo z računom
34
tako kot smo poiskali nožiščno krivuljo Kprime za K glede na točko O
Za odvod v poljubni točki na Ks ki ustreza parametru t dobimo
dy
dx(x) =
y
x(t) = minus
1t
Enačbi tangente v tej točki in pravokotnice skozi O nanjo pa se glasita
y +4at3 = minus1t(xminusa(1+3t4)) y = tx
Sekata se v točki s koordinatama
x(t) = a(1minus t2) y(t) = at(1minus t2)
To sta ravno parametrični enačbi krivulje K tako da velja Kprimes =K
Podobno ugotovimo tudi da je premica x = a nožiščna krivulja za para-
bolo Kq Premica x = a je tangenta te parabole v temenu V splošnem je
temenska tangenta parabole kar njena nožiščna krivulja glede na gorišče
Ugotovili smo torej da je nožiščna krivulja krivulje Kr spremljajoča para-
bola krivulje K
Ekstremne točke nožiščne krivulje Kprime
Ekstremne točke na zanki krivulje Kprime dobimo iz odvodov
x(t) =2at(1minus t2)(3t2 +1)(9t4 +2t2 minus3)
(9t4 minus2t2 +1)2
y(t) =2a(t2 minus1)(3t2 +1)(3t4 +6t2 minus1)
(9t4 minus2t2 +1)2
Za t = 0 doseže v točki D(a0) abscisa svojo največjo vrednost Za t = plusmn1
poteka krivulja skozi točko O kjer sama sebe preseka pod pravim kotom
ker je yprime(0) = (yx)(plusmn1) = ∓1
35
Najmanjšo absciso na zanki ima krivulja Kprime v točki ki jo določa para-
meter t za katerega velja pogoj 9t4 +2t2 minus3 = 0 To je bikvadratna enačba
katere realni rešitvi sta tplusmn = plusmnradic
2radic
7minus13 ustrezni točki na krivulji pa
izračunamo z enačbama (4) in dobimo
Xplusmn(a(17minus7radic
7)27plusmnaradic
74radic
7minus17227)
Ekstremni ordinati na zanki ima krivulja takrat za tisto vrednost para-
metra t za katerega velja pogoj 3t4 + 6t2 minus 1 = 0 Realni rešitvi te bi-
kvadratne enačbe sta tplusmn = plusmn(3radic
2minusradic
6) 4radic
36 ustrezni točki na krivulji pa
Yplusmn(a(3minusradic
3)3plusmna 4radic123)
Ker v koordinatah ekstremnih točk nastopajo poleg osnovnih aritmetičnih
operacij le kvadratni in bikvadratni (četrti) koreni so te točke konstruk-
tibilne
Cisoida
Spoznali smo enega od načinov pridobivanja novih ravninskih krivulj iz
danih to je z nožišči izbrane točke na tangentah dane krivulje Krivulji
s tem priredimo nožiščno krivuljo glede na izbrano točko Drug tak pre-
prost način kako iz znanih krivulj dobimo nove je cisoidni način Kako
pa ta poteka
Denimo da sta znani krivulji K1 in K2 ter točka O ki ležijo v isti
ravnini Pri tem sta K1 in K2 taki krivulji da vsaka premica p skozi O
ki seka K1 v neki točki T1 seka tudi K2 recimo v točki T2 (slika 18) Za
vsak T1 označimo na p točko T tako da veljaETHOT =
ETHETHT1T2 Ko T1 potuje po
K1 T opiše krivuljo C ki jo imenujemo cisoida krivulj K1 in K2 glede na
točko O Definicije take cisoide se nekoliko razlikujejo od vira do vira
36
Slika 18 Krivulja C je cisoida krivulj K1 in K2 glede na točko O
Dioklova cisoida s katero rešimo problem podvojitve kocke je cisoida
krožnice x2 + y2 = ax in premice x = a glede na koordinatno izhodišče O
Več o cisoidah in njihovi uporabi je napisanega na primer v [8]
Krivulja K je povezana tudi s polkubično ali semikubno ali Neilovo
parabolo poimenovano po Williamu Neilu (1637ndash1680) Parametrični
enačbi (3) lahko zapišemo v vektorski obliki v standardni bazi kot razliko
kolinearnih vektorjev
r(t) = (x(t)y(t)) =ETHOT = (a(1minus t2)at(1minus t2)) = (aat)minus (at2at3)
Vektor r1(t) = (aat) = (a0)+at(01) je enačba premice x = a v parametrični
obliki vektor r2(t) = (at2at3) pa polkubične parabole ki ima enačbo ay2 =
x3 in ost v točkiO Parameter t geometrijsko pomeni tangens naklonskega
kota premice OA (slika 13)
Premica y = tx poteka skozi koordinatno izhodišče O in seka premico
x = a v točkiA(aat) zato jeETHOA = r1 Ista premica seka polkubično parabolo
P ki ima enačbo ay2 = x3 v točki P (at2at3) tako da jeETHOP = r2 S tem je
ETHPA =
ETHOAminus
ETHOP = r1minus r2 = r To pomeni da je r =
ETHOT =
ETHOAminus
ETHOP Potemtakem
je krivulja K cisoida polkubične parabole P z enačbo ay2 = x3 in premice
37
Slika 19 De Slusova perla K kot cisoidna krivulja
x = a glede na točko O (slika 19)
Neilova parabola in ločna dolžina
Neilova ali polkubična parabola ay2 = x3 je bila v zgodovini matematike
pomembna kot ena prvih krivulj za katero so znali izračunati ločno dolžino
Prav prvi je to znal John Wallis (1616ndash1703) leta 1657
Denimo da nas zanima ločna dolžina `(b) te krivulje nad intervalom
[0b] (slika 20) Znano je da lahko uporabimo formulo za ločno dolžino
krivulje ki je dana v eksplicitni obliki
`(b) = intb
0
radic
1+yprime2dx
Pri tem je y = f (x) enačba krivulje in yprime = f prime(x) V našem primeru je y =
38
Slika 20 Neilova ali polkubična parabola
f (x) = plusmnradicx3a Kratek račun nam da yprime2 = 9x(4a) in
`(b) = intb
0
radic
1+9x4adx
Z uvedbo nove integracijske spremenljivke u z relacijo u2 = 1 + 9x(4a)
dobimo
`(b) =8a9 int
c
1u2du =
8a27
(c3 minus1)
pri čemer je c =radic
1+9b(4a)
Leibnizeva izohrona je krivulja po kateri se je leta 1687 vprašal G W
Leibniz Poiskati je treba v navpični ravnini krivuljo po kateri se brez
trenja giblje točkasta masa ki je podvržena konstantnemu težnostnemu
polju tako da je navpična komponenta njene hitrosti ves čas konstantna
Nalogo je prvi rešil C Huygens nizozemski astronom fizik in matema-
tik znan tudi po odkritju Saturnovega satelita Titana in znamenitih Sat-
urnovih obročev ter po izdelavi prve ure na nihalo kar je bilo za tiste čase
velik napredek v merjenju točnega časa
39
Slika 21 Leibnizeva izohrona
Izhodišče O postavimo v najvišjo točko krivulje (slika 21) V tej točki
je horizontalna hitrost premikajoče se mase m enaka 0 Naj bo v0 njegova
navpična hitrost navzdol Os y je vodoravna os x pa usmerjena navz-
dol Potencialno energijo mase računamo nad izbranim nivojem spodaj V
skladu z načelom ohranitve mehanske energije v času t in času 0 potem
velja12mv2(t)+mg(hminusx(t)) =
12mv2
0 +mgh
Pri tem je g težni pospešek Po poenostavitvi dobimo v2(t) = 2gx(t)+ v20
Vektor hitrosti ima v vsakem trenutku med seboj pravokotni komponenti
v(t) = (x(t) y(t)) za t = 0 pa v(0) = (v00) Upoštevamo da je ∣v(t)∣2 =
v2(t) = x2(t) + y2(t) in da je x(t) = v0 pa imamo sistem diferencialnih
enačb
x(t) = v0 y(t) =radic
2gx(t)
ki ga rešimo pri začetnih pogojih x(0) = y(0) = 0 in dobimo
x(t) = v0t y(t) =23
radic2gv0t3
40
Koordinati točk na dobljeni krivulji zadoščajo enačbi
ay2 = x3 a =9v2
0
8g
Pri dani konstanti a je v0 = (23)radic
2ag Iskana krivulja je torej Neilova
parabola Ime izohrona je dobila zato ker točkasta masa po vertikali
v enakih časih prepotuje enake razdalje V grščini beseda ἴσος pomeni
rdquoenakrdquo χρόνος pa rdquočasrdquo
Dolžina ` zanke krivulje K nas pripelje do zapletenega eliptičnega in-
tegrala za katerega zapišimo približno vrednost
` = 2aint1
0
radic9t4 minus2t2 +1dt ≐ 271559186a
Pač pa je dolžina loka ` četrtkubične parabole Ks ogrinjače premic s bolj
prijazna Za dolžino loka od točke D ki ustreza parametru t = 0 do točke
ki ustreza parametru t = α dobimo
` = 12aintα
0t2
radic1+ t2dt =
3a2
(α(1+2α2)radic
1+α2 minus ln(α +radic
1+α2))
Prav tako dolžina loka ` navadne parabole Kq ogrinjače premic q ne
dela težav Za dolžino loka od točke D ki ustreza parametru t = 0 do
točke ki ustreza parametru t = α dobimo
` = 2aintα
0
radic1+ t2dt = a(α
radic1+α2 + ln(α +
radic1+α2))
Za spremljajočo parabolo dobimo prav tako enostaven rezultat za ločno
dolžino od točke O do točke ki ustreza parametru t = α
` = intα
0
radic1+4t2dt =
a4(2α
radic1+4α2 + ln(2α +
radic1+4α2))
Nazadnje zapišimo še ločno dolžino polkubične parabole Kr
` = 6aintα
0tradic
1+ t2dt = 2a((1+α2)radic
1+α2 minus1)
41
Pri vseh zgornjih primerih je parameter t strmina premice p v prvotni
konstrukciji krivulje K
Ploščine in prostornine
Ploščina S lika ki ga omejuje zanka krivulje K je
S =2radica int
a
0xradicaminusxdx
Z uvedbo nove integracijske spremenljivke t z relacijo aminusx = t2 je
S =4radica int
radica
0t2(aminus t2)dt =
4radica int
radica
0(at2 minus t4)dt =
8a2
15
Lahko pa jo izrazimo tudi s splošno formulo ki smo jo izpeljali na začetku
razdelka S to formulo lahko izrazimo še prostornino V telesa ki ga pri
rotaciji okoli osi x opiše lik
V =πa int
a
0x2(aminusx)dx =
πa3
12
To je ravno polovica prostornine krogle s premerom a
Pač pa je izraz za ploščino S prime lika ki ga omejuje zanka krivulje Kprime bolj
zapleten izraz Uporabimo parametrični enačbi (4) in dobimo
S prime = int1
0(x(t)y(t)minus x(t)y(t))dt = 2a2
int
1
0
(1minus t2)3(1+2t2 minus3t4)(9t4 minus2t2 +1)2 dt
Če se zanesemo na računalniško računanje določenih integralov potem je
S prime =2a2
729(3(43πminus28)+52
radic2ln(1+
radic2))
kar je približno S prime ≐ 1059206796a2 Do enakega rezultata pridemo z
navidez enostavnejšo formulo
S prime = 2inta
0y(x)dx
42
toda drugim težjim integralom
S prime = 2int0
1y(t)x(t)dt = minus8a2
int
1
0
t2(1minus t2)3(3t2 +1)(9t4 +2t2 minus3)(9t4 minus2t2 +1)3 dt
Zakaj smo integrirali po parametru t od 1 do 0 Zato ker abscisa x narašča
od 0 do a ko t pada od 1 do 0 Ordinata y pa je pri tem nenegativna (glej
izraza (4))
Tudi izraz za prostornino V prime telesa ki ga pri rotaciji okoli osi x opiše
lik omejen s Kprime je navidez enostaven
V prime =πinta
0y2(x)dx
toda s parametrom t je zapleten a eksaktno izračunljiv
V prime =πint0
1y2(t)x(t)dt = 8πint
1
0
t3(t2 minus1)5(3t2 +1))(9t4 +2t2 minus3)(9t4 minus2t2 +1)4 dt
Za rezultat dobimo
V prime =2πa3
19683(431π
radic2+369+744ln2)
kar je približno V prime ≐ 08936800975a3
Naj bo s tem računanja integralov dovolj V nadaljevanju se bomo
posvetili nekaterim lažjim problemom
Tangenta
Pri krivuljah v koordinatnem sistemu Oxy so pomembni štirje dotikalni
elementi za posamezne točke T odsek na tangenti ∣TA∣ odsek na normali
∣T B∣ subtangenta ∣AT prime∣ in subnormala ∣BT prime∣ (slika 23) Izražajo se takole
∣TA∣ = ∣y
yprime
radic
1+yprime2∣ ∣T B∣ = ∣yradic
1+yprime2∣ ∣T primeA∣ = ∣y
yprime∣ ∣T primeB∣ = ∣yyprime∣
43
Slika 22 Ploščini likov omejenih z zankama krivulj K in Kprime
Pri tem pomeni yprime = f prime(x) če je enačba krivulje y = f (x) Točka T prime je pra-
vokotna projekcija točke T na abscisno os A je presečišče tangente na
krivuljo v točki T z osjo x B pa presečišče normale z osjo x Dotikalni
elementi so posebej definirani tudi za krivulje v polarnih koordinatah
Slika 23 Dotikalni elementi krivulje
De Sluse je za algebrsko krivuljo f (xy) = 0 po svoje našel izraz za sub-
tangento ts to je pravokotno projekcijo odseka na tangenti
44
na os x V današnji pisavi se subtangenta izraža v obliki
ts = minusy
partfparty (xy)
partfpartx (xy)
Za krivuljo K je f (xy) = ay2 minusx2(aminusx) = 0 in
ts =2x(xminusa)3xminus2a
Lotimo se še konstrukcije tangente t in normale n naK v točki T0(x0y0) ne
O ki enolično določa točko A(aay0x0) kot presečišče premice p skozi O
in T0 s premico x = a Skozi A povlecimo vzporednico nprime z normalo n na K
v točki T0 Normala ima smerni koeficient kn = tsy0 oziroma
kn =
partfparty (x0y0)
partfpartx (x0y0)
=2ay0
x0(3x0 minus2a)
Premica nprime ima enačbo
y minusay0
x0=
2ay0
x0(3x0 minus2a)(xminusx0)
in preseka abscisno os v točki T1(x10) za katero po krajšem računu do-
bimo x1 = 2a minus 3x02 Točko T1 in premico nprime zlahka geometrijsko kon-
struiramo Iskana tangenta t v točki T0 je pravokotna na nprime normala n pa
vzporedna z nprime (slika 24)
Inverzija krivulje K na krožnici
Po navadi za ravninske krivulje pogledamo še njihove inverzne slike na
krožnici Inverzija ali zrcaljenje na krožnici x2 + y2 = r2 je ravninska pres-
likava ι definirana s predpisom
ι ∶ (xy)↦ (r2x
x2 +y2 r2y
x2 +y2)
45
Slika 24 Tangenta in normala na krivuljo K
S spreminjanjem polmera r krožnice dobimo med seboj podobne krivulje
Če zrcalimo na krožnici x2 + y2 = a2 krivuljo K ki ima implicitno enačbo
(2) dobimo krivuljo Klowast ki ima enačbo
y4 = minusx3(aminusx)
ki je formalno oblike (2) zam = 4n = 3p = 1 in k = minus1 Dobljena krivuljaKlowast
je simetrična glede na os x ima dve veji abscisa na njej doseže ekstremni
vrednosti v točkah O(00) in D(a0) Ima pa kot bomo videli tudi dve
asimptoti y = xminusa4 in y = minusx+a4 (slika 25)
Krivuljo Klowast se da lepo parametrizirati s parametrom τ če v njeno
enačbo y4 = minusx3(aminusx) vstavimo y = τx Dobimo
x(τ) =a
1minusτ4 y(τ) =aτ
1minusτ4
To sta parametrični enačbi krivulje Klowast
Ko τ uarr minus1 x(τ)rarr minusinfin in y(τ)rarr +infin ko τ darr minus1 x(τ)rarr +infin in y(τ)rarr minusinfin
ko τ uarr +1 x(τ)rarr +infin in y(τ)rarr +infin ko τ darr +1 x(τ)rarr minusinfin in y(τ)rarr minusinfin
46
Slika 25 Inverzna slika Klowast krivulje K
Konstanti k in n poševne asimptote y = kx + n krivulje Klowast dobimo s
formulama
k = limxrarrplusmninfin
y
x n = lim
xrarrplusmninfin(y minus kx)
V našem primeru je
k = limxrarrplusmninfin
y
x= limτrarrplusmn1
τ = plusmn1 n = a limτrarrplusmn1
τ ∓11minusτ4 = ∓
a4
Poševni asimptoti sta torej premici y = plusmn(xminusa4)
Obnašanje krivulje v okolici točke D utemeljimo če zapišemo impli-
citno obliko krivulje nekoliko drugače
y4 = (xminusa)x3 = (xminusa)(a+(xminusa))3 = a3(xminusa)+3a2(xminusa)2+3a(xminusa)3+(xminusa)4
47
Slika 26 Krivulja Klowast in približka v okolici točk O in D
Za x ki je zelo blizu a prevlada na desni prvi člen tako da je y4 asymp a3(xminusa)
Razlika xminusa se torej obnaša približno tako kot bikvadrat ordinate y
V okolici točke O kjer so abscise negativne iz istega razloga velja y4 asymp
minusax3 zato se tam krivulja obnaša približno tako kot četrtkubična parabola
(slika 26)
Inverzija krivulje Kprime na krožnici
Na krožnici x2 + y2 = a2 zrcalimo še krivuljo Kprime nožiščno krivuljo krivulje
K glede na točko O Dobimo dvodelno krivuljo Kprimelowast kakršno vidimo na
sliki 27
Enačba nove krivulje v implicitni obliki je
4(x2 minusy2)2 minus4ax(x2 minus9y2)minus27a2y2 = 0
48
Slika 27 Inverzna slika Kprimelowast krivulje Kprime
Krivulja je algebrska četrte stopnje je simetrična glede na os x ima ost
z vodoravno tangento v točki O skozi točko D pa poteka v blagem loku
Natančneje ugotovimo približni potek krivulje v okolici teh dveh točk če
v zgornji enačbi obdržimo prevladujoče člene V okolici točke O kjer so
abscise negativne je ay2 asymp minus4x327 torej približno tako kot polkubična
parabola V okolici točke D(a0) je y2 asymp minus4a(x minus a) kar pomeni da se
krivulja obnaša približno tako kot parabola
Pritisnjeni krožnici na K
Pritisnjeni krožnici v točki O na krivuljo K sta inverzni sliki asimptot
krivulje Klowast na krožnici x2 + y2 = a2 Preprost račun pokaže da se asimp-
toti krivulje Klowast z inverzijo ι preslikata v krožnici x2 + y2 plusmn4ay minus4ax = 0 ki
imata središči v točkah Splusmn(2aplusmn2a) in polmer 2aradic
2 Sekata se pavokotno
v točkah O in M(4a0) Inverzija ι namreč ohranja kote (slika 28)
49
Slika 28 Pritisnjeni krožnici na krivuljo K v točki O
Ukrivljenost κ(t) krivulje K v točki ki ustreza parametru t brez težav
izračunamo iz njenih parametričnih enačb (3)
κ(t) =2(3t2 +1)
a(1minus2t2 +9t4)32
V posebnem primeru je v točki O to se pravi za t = plusmn1 ukrivljenost enaka
κ(plusmn1) = 1(2aradic
2) zato sta v O polmera pritisnjenih krožnic 1κ(plusmn1) =
2aradic
2 kar se seveda ujema z rezultatom dobljenim z inverzijo na krožnici
Toksoida
Videli smo da je inverzna slika krivulje K krivulja Klowast ki ima enačbo y4 =
minusx3(aminusx) ki je formalno oblike (2) zam = 4n = 3p = 1 in k = minus1 Prav tako
je krivulja ay2 = minusx2(aminus x) ki jo dobimo iz enačbe ay2 = x2(aminus x) krivulje
K če zamenjamo aminus x z x minus a formalno oblike (2) za m = 2n = 2p = 1 in
50
k = minus1a Krivuljo označimo jo s T ki ima enačbo
ay2 = x2(xminusa)
je nemški amaterski matematik samouk in izumitelj Diedrich (tudi Diede-
rich) Uhlhorn (1764ndash1837) imenoval rdquotoksoidardquo V svojem delu [13] obrav-
nava več krivulj in za nekatere tudi opiše mehanske naprave s katerimi
se jih da risati pa tudi njihovo uporabo pri reševanje enačb Beseda rdquotok-
soidardquo izvira iz dveh grških τόξον kar pomeni rdquolokrdquo (kot orožje) pa tudi
rdquopuščicardquo in εἶδος kar med drugim pomeni rdquooblika podobardquo D Uhlhorn
je imenoval krivuljo v nemščini rdquoBogenlinierdquo ker nemški samostalnik rdquoBo-
genrdquo pomeni prav tako rdquolokrdquo Iz besede τόξον smo dobili tudi besede ki
so povezane s strupi kajti bojne puščice so bile često zastrupljene
Slika 29 Toksoida
Toksoida ima tudi izolirano točkoO(00) saj njeni koordinati zadoščata
implicitni enačbi
Iz implicitne enačbe toksoide dobimo z zamenjavo y = tx njeni parametri-
čni enačbi
x(t) = a(1+ t2) y(t) = at(1+ t2) (5)
ki pa ne vključujeta izolirane točke O
51
Toksoida je algebrska krivulja tretje stopnje simetrična glede na os x
ki jo preseka za t = 0 v točki D(a0) kjer ima navpično tangento Krivulja
na prvi pogled ni nič posebnega a že D Uhlhorn je pokazal kako se kon-
struira njene posamezne točke in kako se z njo podvoji kocko
Slika 30 Konstrukcija točk toksoide
Do točke T na toksoidi pridemo takole V koordinatnem sistemu Oxy
za pozitiven a določimo točko D(a0) in skoznjo konstruiramo pravokot-
nico na os x torej premico x = a (slika 30) Na tej premici izberemo točko
A ki jo bomo spreminjali da bomo dobili krivuljo Skozi O in A nato
načrtamo premico p v A pa nanjo pravokotnico q ki seka abscisno os v
točki B V B postavimo na abscisno os pravokotnico r ki preseka premico
p v točki T Ko A potuje po premici x = a točka T opiše toksoido T brez
izolirane točke O
Da res dobimo toksoido T je treba samo zapisati enačbi y = tx premice
p in y = minus(x minus a)t + at premice q ter točki A(aat) in B(a(1 + t2)0) ter
T (a(1+t2)at(1+t2)) Koordinati točke T pa res dasta paramatrični enačbi
52
toksoide
Slika 31 Konstrukcija srednjih geometrijskih sorazmernic s toksoido
Iz podobnih trikotnikov ODA OAB in OBT na sliki 30 sledi relacija
∣OD ∣
∣OA∣=∣OA∣
∣OB∣=
∣OB∣∣OT ∣
kar pomeni da sta ∣OA∣ in ∣OB∣ srednji geometrijski sorazmernici daljic
∣OD ∣ = a in ∣OT ∣ = b Zato lahko izrazimo ∣OA∣ =3radica2b in ∣OB∣ =
3radicab2 na isti
način kot pri (3)
Če imamo že načrtano toksoido T potem srednji geometrijski sorazmer-
nici za a in b gt a dobimo tako da poiščemo presečišče T krožnice s sredi-
ščem v O skozi točko C(b0) in na zgoraj opisan način poiščemo premice
pq in r ter točki A in B (slika 31) Za b = 2a na ta način rešimo problem
podvojitve kocke ∣OA∣ = a 3radic
2
Ukrivljenost κ(t) toksoide T v točki ki ustreza parametru t brez težav
53
izračunamo iz njenih parametričnih enačb (5)
κ(t) =2(3t2 minus1)
a(1+10t2 +9t4)32
Opazimo da ukrivljenost menja predznak pri t = plusmn1radic
3 kar nam da točki
Pplusmn(4a3plusmn4aradic
39) v katerih ima T prevoja s tangentama s smernima koe-
ficientoma plusmnradic
3 Tangenti oklepata z osjo x kota plusmnπ3 Pritisnjena krožnica
v točki D ki ustreza t = 0 ima za polmer 1∣κ(0)∣ = a2 in središče v točki
S(3a20) (slika 32)
Slika 32 Prevoja toksoide T in pritisnjena krožnica v točki D
Prevoja sta konstruktibilna pri čemer si lahko pomagamo z vesico pis-
cis nad daljico OD Njeni točki Vplusmn sta narazen za aradic
3 premici skozi O
in Vplusmn pa določata smeri tangent v prevojih Prav tako je konstruktibilna
točka S V okolici točk D in Pplusmn je ujemanje toksoide s pritisnjeno krožnico
v D in tangentama v prevojih Pplusmn zelo dobro
54
Enačba toksoide T v polarnih koordinatah in ϕ je
(ϕ) =a
cos3ϕ
kar sledi iz njene implicitne oblike
a(x2 +y2) = x3
Pri tem je treba le upoštevati zvezi x2 +y2 = 2 in x = cosϕ
Polarna oblika je zelo primerna za študij inverzije na krožnici s središčem
v točki O in polmerom R Če je namreč lowast polarni polmer invertirane
krivulje mora veljati relacija
(ϕ)lowast(ϕ) =R2
Če izberemo R = a dobimo za inverzno sliko toksoide T krivuljo (slika 33)
T lowast ki ima nasledno enačbo v polarnih koordinatah
lowast(ϕ) = acos3ϕ
Slika 33 Inverzna slika T lowast toksoide T
55
Iz polarne oblike krivulje T lowast hitro izpeljemo še njeno implicitno enačbo
(x2 +y2)2 = ax3
Torej je T lowast algebrska krivulja četrte stopnje
Ploščino S lika ki ga ograjuje krivulja T lowast izračunamo po znani for-
muli
S = 2 sdot12 int
π2
0lowast2(ϕ)dϕ = a2
int
π2
0cos6ϕdϕ = a2 sdot
56
sdotπ2=
5πa2
32
Krivulja T lowast je simetrična glede na os x v točkah O in D ima navpični
tangenti največji odklon od osi x pa doseže v točkah Yplusmn(9a16plusmn3aradic
316)
kjer ima vodoravni tangenti in sicer pri polarnih kotih plusmnπ6
De Slusove pomnoževalke hiperkock
Podvojitev kocke je kot vemo klasični grški geometrijski problem ki se ga
ne da rešiti evklidsko to je samo z neoznačenim ravnilom in šestilom kar
so dokazali šele v 19 stoletju Problem zahteva določiti rob kocke ki ima
prostornino enako dvakratniku prostornine dane kocke To pomeni da
je treba za dano daljico a konstruirati tako daljico b za katero je b = a 3radic
2
Problem podvojitve kocke so Grki znali rešiti na več načinov Eden od njih
je možen s posebno ravninsko krivuljo z Dioklovo cisoido (več na primer
v [7])
Povsem smiselno se je vprašati kako bi pomnožili s faktorjem s gt 0
poljubno r-razsežno hiperkocko z robom a Njena prostornina je ar zato
je b = a rradics rob hiperkocke katere prostornina je s-kratnik prostornine
hiperkocke z robom a Dva primera sta trivialna Za r = 1 imamo daljico
56
njena rdquoprostorninardquo je kar njena dolžina a za r = 2 pa kvadrat čigar rdquopros-
torninardquo je kar njegova ploščina a2 Za r = 3 imamo opraviti z običajno
kocko z običajno prostornino a3 V prvih dveh primerih množenje s fak-
torjem s ni problematično saj s problemom lahko geometrijsko rešimo s
podobnimi trikotniki in z višinskim izrekom v pravokotnem trikotniku
Za r ge 4 si r-razsežno hiperkocko teže predstavljamo ker je ne moremo
realizirati z običajno geometrijo To pa ni ovira pri pomnožitvi take hiper-
kocke s številom s ker moramo znati samo njen rob a geometrijsko pom-
nožiti s številom rradics kar pa lahko naredimo v običajni ravnini V mate-
matični analizi je r-razsežna hiperkocka z robom a na primer kar r-kratni
kartezični produkt intervala [minusa2a2] s samim seboj to je množica
[minusa2a2]r = (x1x2 xr) isinRr ∶ ∣x1∣ le a2 ∣x2∣ le a2 ∣xr ∣ le a2
Oglejmo si de Slusove perle (2) z eksponenti mn =mminus 1 in p = 1 fak-
torjem k = 1 ter a gt 0 pri čemer je m sodo število to se pravi krivulje z
implicitno enačbo
ym = xmminus1(aminusx) (6)
oziroma xm + ym = axmminus1 Pri danem m označimo ustrezno krivuljo s Hm
Med njimi je tudi stara znanka x2 + y2 = ax krožnica s polmerom a2
in središčem v točki S(a20) Skupne vsem krivuljam so točke O(00)
Cplusmn(a2plusmna2) D(a0) ter navpični tangenti v O in D Krivulje Hm so za-
ključene in simetrične glede na os x in se dajo lepo parametrizirati z y = tx
Za vsako dobimo parametrično enačbo
x(t) =a
1+ tm y(t) =
at1+ tm
(7)
Najbolj se taka krivulja oddalji od abscisne osi za t = 1 mradicmminus1 v točkah
Yplusmn(a(mminus1)mplusmnam mradic
(mminus1)mminus1) Za t = 0 dobimo točko D za ∣t∣rarrinfin pa
57
se krivulja bliža točki O Slika 34 kaže nekaj primerov
Slika 34 Nekaj krivulj Hm
Naj bo s poljubno pozitivno število in A(0as) točka na osi y Premica
skozi A in D preseka krivuljo Hm v točkah D(a0) in B(x0y0) za katero
potrebujemo samo razmerje y0x0 Na sliki 35 je izbran eksponent m = 4
Premica skozi A in D ima enačbo xa+sya = 1 iz katere izrazimo aminusx = sy
in vstavimo v enačbo (6) Dobimo ym = ysxmminus1 Ker iščemo točko B s
pozitivno ordinato lahko z y krajšamo in dobimo y0x0 =mminus1radics
Premica skozi O in B ima enačbo y = y0xx0 in preseka premico x = a
v točki C(aay0x0) oziroma C(aa mminus1radics) Zato je ∣DC∣ = ∣OD ∣ mminus1
radics) V
primeru m = 4 in s = 2 je ∣DC∣ = ∣OD ∣3radic
2) kar pomeni da se nam je pos-
rečilo podvojiti trirazsežno kocko Za s = 3 kocko potrojimo za s = 4
početverimo itd Še več zam = 6 in s = 2 podvojimo 5-razsežno hiperkocko
58
za s = 3 jo potrojimo za s = 4 početverimo itd
Slika 35 Krivulja H4 in pomnožitev roba trirazsežne kocke
Lihih m nam ni treba posebej obravnavati ker krivulje Hm ne bi bile
prave de Slusove perle Poleg tega bi tedaj bil mminus 1 sodo število denimo
m minus 1 = 2αq z naravnim α in lihim q Korenjenje se potem da izvesti z
α-kratnim kvadratnim korenjenjem in enim q-tim korenjenjem s krivuljo
Hq+1 kakor smo zgoraj opisali
Drug način za pomnožitev hiperkock poteka s cisoidami Cm krivuljHm
in premice x = a Pri parametru t premica y = tx preseka premico x = a
v točki C(aat) točka B pa ima tedaj koordinati dani z parametričnima
enačbama (7) S koordinatami točk B in C imamo takoj
ETHBC = (aminus
a1+ tm
at minusat
1+ tm) = (
atm
1+ tmatm+1
1+ tm)
59
Slika 36 Nekaj krivulj Cm
Da bo točka T na cisoidi Cm mora veljati zvezaETHOT =
ETHBC Potemtakem ima
Cm parametrični enačbi
x(t) =atm
1+ tm y(t) =
atm+1
1+ tm (8)
Ker je t = yx dobimo še implicitno enačbo krivulje Cm
xm+1 = ym(aminusx) (9)
oziroma x(xm+ym) = aym Krivulje so za sodem definirane nad intervalom
60
[0a) so simetrične glede na os x imajo za asimptoto premico x = a in
potekajo skozi koordinatno izhodišče O in točki Cplusmn(a2plusmna2) Asimptoti
se krivulja bliža ko ∣t∣ rarr infin V točki O pri t = 0 imajo ost z vodoravno
tangento Za m = 2 dobimo staro znanko Dioklovo cisoido
Slika 37 Krivulja C4 in pomnožitev roba 5-razsežne hiperkocke
Izberimo sedaj na ordinatni osi točko A(0as) pri čemer je s pozi-
tivno število in vzemimo premico skozi točki A in D (slika 37) Ta ima
enačbo xa + y(as) = 1 iz katere izrazimo a minus x = ys Premica preseka
cisoido Cm v točki M(x0y0) s pozitivno ordinato Iz enačb premice skozi
A in D in (9) dobimo y0x0 = m+1radics Premica skozi točki O in M ima
enačbo y = y0xx0 in preseka premico x = a v točki E(aa m+1radics) Torej velja
61
zveza ∣DE∣ = ∣OD ∣ m+1radics kar pomeni da smo našli rob (m + 1)-razsežne
hiperkocke ki ima za prostornino s-kratnik prostornine dane (m + 1)-
razsežne hiperkocke
Naj bo Sm ploščina lika ki ga omejuje krivulja Hm in Qm ploščina
neomejenega lika ki ga omejuje krivulja Cm z asimptoto Ni ju težko
izraziti
Pm =a2(mminus1)πm2 sin π
m Qm =
a2(m+1)πm2 sin π
m
Nadalje naj bo Vm prostornina telesa ki nastane z rotacijo krivulje Hm
okoli osi x Wm pa prostornina neomejenega telesa ki nastane z rotacijo
krivulje Cm okoli osi x Prav tako ju ni težko izraziti
Vm =2a3(mminus1)(mminus2)π2
3m3 sin 2πm
Wm =2a3(m+1)(m+2)π2
3m3 sin 2πm
Ploščine in prostornine so poleg drugega zanimale že matematike v
17 stoletju zlasti C Huygensa Izračunajmo prostornino telesa Um ki
nastane z rotacijo lika med cisoido in njeno asimptoto okoli te asimptote
(slika 38) Uporabili bomo sodobne zapise in Eulerjevi funkciji B in Γ ki
ju C Huygens še ni mogel poznati Presek nastalega telesa na višini y je
krog s polmerom aminusx in ploščino π(aminusx)2 Upoštevamo še simetrijo lika
glede na os x uporabimo parametrično obliko (8) in nastavimo integral
Um = 2πintinfin
0(aminusx(t))2y(t)dt = 2πa3
int
infin
0
tm(tm +m+1)(1+ tm)4 dt
ki ga lahko izrazimo v obliki
Um = 2πa3(I2 + (mminus1)I3 minusmI4)
pri čemer je
Ik = intinfin
0
dt
(1+ tm)k
62
ki ima za m ge 2 in k ge 1 končno vrednost S substitucijo u = 1(1 + tm)
dobimo
Ik =1m int
1
0ukminus1minus1m(1minusu)1mminus1du =
1m
B(kminus1m1m) =Γ(k minus1m)Γ(1m)
mΓ(k)
Na koncu je rezultat zelo preprost
Um =2π2a3(m2 minus1)
3m3 sin πm
Prve tri prostornine so
U2 =π2a3
4 U4 =
5radic
2π2a3
32 U6 =
35π2a3
162
Slika 38 Telo nastalo z zasukom lika med krivuljo C2 in njeno asimptoto
okoli te asimptote
Izračunajmo prostornino telesa Um ki nastane z rotacijo lika med cisoido
in njeno asimptoto okoli osi y (slika 39) Presek nastalega telesa na višini y
63
je krožni kolobar z notranjim polmerom x in zunanjim polmerom a ki ima
ploščino π(a2minusx2) Upoštevamo še simetrijo lika glede na os x uporabimo
parametrično obliko (8) in nastavimo integral
Um = 2πintinfin
0(a2 minusx2(t))y(t)dt = 2πa3
int
infin
0
tm(tm +m+1)(2tm +1)(1+ tm)4 dt
ki ga lahko izrazimo z zgoraj vpeljanimi integrali Ik v obliki
Um = 2πa3(2I1 + (2mminus3)I2 minus (3mminus1)I3 +mI4)
Na koncu dobimo za rezultat
Um =2π2a3(m+1)(2m+1)
3m3 sin πm
Prve tri prostornine so
U2 =5π2a3
4 U4 =
15radic
2π2a3
32 U6 =
91π2a3
162
V 17 stoletju so se zanimali tudi za težišča homogenih likov in teles
Lik ki ga omejuje krivulja Hm ima težišče na abscisni osi oddaljen za xT
od osi y Da bi lahko poiskali xT moramo najprej izračunati za ta lik
moment
Mm = 2inta
0xy dx = 2int
0
infinx(t)y(t)xdt = 2a3mint
infin
0
tm
(1+ tm)4 dt
Izrazimo z integrali Ik in dobimo
Mm = 2a3m(I3 minus I4) =πa3(mminus1)(2mminus1)
3m3 sin πm
Abscisa težišča lika je potem kvocient momenta Mm in ploščine Sm
xT =(2mminus1)a
3m
64
Slika 39 Telo nastalo z zasukom lika med krivuljo C2 in njeno asimptoto
okoli osi y
Lik omejen s krivuljo Cm ima težišče na abscisni osi oddaljen za xC
od osi y Da bi poiskali xC uporabimo kar PaposndashGuldinovo pravilo za
prostornino vrtenine
2πxC sdotQm = Um
kjer je Qm ploščina lika ki ga rotiramo okoli osi y Rezultat je proti vsem
pričakovanjem zelo preprost
xC =(2m+1)a
3m
Poznoantični matematik Papos iz Aleksandrije (290ndash350) v grščini Πάπ-
πος ὁ Αλεξανδρεύς v latinščini Pappus je pomemben ker je zbral prak-
tično vse dotakratno matematično znanje Grkov in dodal še marsikaj svo-
65
jega Njegovo najpomembnejše delo je rdquoZbirkardquo v grščini Συναγωγή Uk-
varjal se je tudi s klasičnimi grškimi geometrijskimi problemi
Jezuit Paul Guldin (1577ndash1643) je bil švicarski matematik in astronom
profesor matematike na Dunaju in v Gradcu Pred tem je študiral v Rimu
Skupaj s Paposom je znan
po pravilih za izračun prostornine rotacijskega telesa in površine rotacij-
ske ploskve
Slika 40 Telo nastalo z zasukom lika ki ga omejuje H4 okoli osi y
ProstorninaXm vrtenine ki nastane z rotacijo lika omejenega s krivuljo
Hm okoli osi y je po PaposndashGuldinovem pravilu za prostornino enaka
Xm = 2πxT sdot Pm = 2π(2mminus1)a
3msdota2(mminus1)πm2 sin π
m=
2π2a3(2mminus1)(mminus1)3m3 sin π
m
Slika 40 kaže vrtenino za primer krivulje H4 Podobne slike bi dobili tudi
za druge Hm
Če isti lik rotiramo okoli premice x = a tangente na krivuljo Hm v
točki D dobimo vrtenino s prostornino Ym ki jo izračunamo prav tako
66
po PaposndashGuldinovem pravilu za prostornino in dobimo
Ym = 2π(aminusxT ) sdot Pm = 2π(m+1)a
3msdota2(mminus1)πm2 sin π
m=
2π2a3(m2 minus1)3m3 sin π
m
Opazimo da je prostornina Ym enaka prostornini Um telesa ki nastane
z rotacijo lika med krivuljo Cm in njeno asimptoto okoli te asimptote
Dokler ni bil razvit infinitezimalni račun kakršnega poznamo danes
so računali ploščine težišča prostornine in površine za vsak primer pose-
bej Veliko so se v 17 stoletju pa tudi že prej znani matematiki ukvarjali
s cikloido na primer N Kuzanski M Mersenne G Galilei G P de Rober-
val C Wren G Cardano B Pascal I Newton G W Leibniz C Huygens
je neko njeno lastnost uporabil pri izdelavi ure na nihalo
Evdoksova kampila
Oglejmo si naslednjo konstrukcijo točk krivulje V točki D(a0) pri čemer
je a gt 0 postavimo pravokotnico p na abscisno os Na p izberemo točko
A ki jo bomo kasneje premikali po tej premici Skozi O in A načrtamo
premico q in skozi A krožnico s središčem v koordinatnem izhodišču O
Krožnica preseka abscisno os v točkah B in Bprime ki sta simetrični glede na
točko O V B in Bprime konstruiramo pravokotnici r in rprime na os x ki presekata
p v točkah T in T prime ki sta tudi simetrični glede na točko O Ko teče točka
A po premici p opišeta T in T prime dvodelno krivuljo ki so jo poimenovali
rdquoEvdoksova kampilardquo Točka T opiše njeno desno vejo T prime pa levo Krivulja
je očitno simetrična glede na obe koordinatni osi (slika 41)
Enačbo desne veje dobljene Evdoksove kampile je najlaže najprej izraz-
iti v polarnih koordinatah nato pa še v implicitni obliki v pravokotnih
67
Slika 41 Konstrukcija točk Evdoksove kampile
kartezičnih koordinatah Za polarni kot ϕ vzamemo naklonski kot pre-
mice q za polarni radij pa razdaljo ∣OT ∣ (slika 41) Najprej očitno veljata
zvezi ∣OA∣ = ∣OD ∣cosϕ = acosϕ in = ∣OT ∣ = ∣OB∣cosϕ = ∣OA∣cosϕ iz
katerih dobimo = acos2ϕ tako da je nazadnje pri pogoju minusπ2 ltϕ ltπ2
polarna enačba desne veje Evdoksove kampile
(ϕ) =a
cos2ϕ (10)
Obe veji krivulje imata implicitno obliko
a2(x2 +y2) = x4 (11)
ki jo dobimo iz polarne oblike z upoštevanjem zvez 2 = x2 + y2 in cosϕ =
x Krivulja v obliki (11) ima izolirano točko O(00) ki je posledica del-
jenja z ki je lahko tudi enak 0 Evdoksova kampila je algebrska krivulja
četrte stopnje
Z Evdoksovo kampilo se da podvojiti kocko Načrtamo krožnico s
središčem v točkiD in polmerom a Njena enačba je x2+y2 = 2ax Vstavimo
68
Slika 42 Podvojitev kocke z Evdoksovo kampilo
2ax namesto x2 + y2 v (11) in dobimo enačbo x4 minus2a3x = x(x3 minus2a3) = 0 ki
ima realni rešitvi x0 = 0 in x1 = a 3radic
2 V prvem kvadrantu se krožnica in
Evdoksova kampila sekata v točki T (a 3radic
2aradic
2 3radic
2minus 3radic
4) kar pomeni da
ima točka T absciso
∣T0T ∣ = b = a 3radic2
Kocka z robom b ima prostornino b3 = 2a3 torej dvakratnik prostornine
kocke z robom a
Grška beseda καμπύλος pomeni rdquokriv zavit upognjenrdquo v ženski ob-
liki καμπύλη beseda γραμμή pa rdquočrta potezardquo Polno ime krivulje je v
grščini καμπύλη γραμμή torej rdquokriva črtardquo na kratko so jo poimenovali kar
rdquokampilardquo kateri so dodali še Evdoksovo ime Evdoks iz Knida (408ndash355
pnš) Εὔδοξος ὁ Κνίδιος je bil starogrški matematik in astronom Bil je
Arhitov učenec v Tarentu grško Τάρας in Platonov na Akademiji v Ate-
nah Obiskal je tudi Sicilijo in Egipt Kasneje je ustanovil svojo šolo v
Kiziku grško Κύζικος ob Mramornem morju ali Propontidi grško Προ-
ποντίς Pomemben je njegov doprinos v teoriji razmerij in nesoizmerljivih
količin kar je uporabil Evklid Εὐκλείδης v svojih Elementih Στοιχεῖα
69
Grška beseda εὔδοξος pomeni med drugim rdquosloveč slaven ugledenrdquo
V astronomiji je Evdoks zagovarjal geocentrični svetovni sistem in za
pojasnitev gibanja planetov in Lune uvedel sistem koncentričnih sfer ki
se vrtijo ena v drugi S tem v zvezi je uvedel še eno krivuljo ki jo poznamo
pod imenom rdquoEvdoksova hipopedardquo
Problem podvojitve kocke je na svojevrsten način s torusom valjem
in stožcem rešil pitagorejec in vojaški poveljnik Arhitas iz Tarenta v južni
Italiji grško Αρχύτας ὁ Ταραντίνος rojen med letoma 435 in 410 umrl
pa med letoma 360 in 350 pnš Morda je Evdoks Arhitovo prostorsko
rešitev problema podvojitve kocke poenostavil na reševanje v ravnini in
tako prišel do svoje kampile Dokazano to ni nikjer ve se le da mu je
rešitev uspelo najti z neko krivuljo Način reševanja pa je podoben reše-
vanju z Uhlhornovo toksoido ki ima tudi podobno enačbo v polarni obliki
(ϕ) = acos3ϕ
Tako Uhlhornova toksoida kot Evdoksova kampila spadata v skupino
Clairautovih krivulj = acosnϕ ali = asinnϕ Če je n racionalno število
je Clairautova krivulja algebrska Alexis Claude Clairaut (1713ndash1765) je
bil francoski matematik in astronom
Evdoksovo kampilo brez izolirane toke O parametriziramo kar s po-
larnim kotom
x(ϕ) =a
cosϕ y(ϕ) =
asinϕcos2ϕ
Njena ukrivljenost κ(ϕ) se izraža v obliki
κ(ϕ) =cos3ϕ(3sin2ϕ minus1)
a(3sin2ϕ +1)32
Ukrivljenost spremeni predznak pri kotu ϕ za katerega je 3sin2ϕ minus1 = 0
V takih točkah ima krivulja prevoje Evdoksova kampila ima štiri in sicer
70
Slika 43 Desna veja Evdoksove kampile prevoja in pritisnjena krožnica
v točkah (plusmnaradic
62plusmnaradic
32) Strmini tangent v teh točkah sta plusmn2radic
2 Os x
presekata za desno vejo v točki G(3aradic
680) Krivinski polmer v točkah
D inDprime je enak a Središče pritisnjene krožnice v točkiD je v točki S(2a0)
Približno ujemanje krivulje tangent v prevojih Pplusmn in pritisnjene krožnice v
temenu D kaže slika 43 Ujemanje bi lahko izkoristili za približno podvo-
jitev kocke Če namesto Evdoksove kampile vzamemo kar njeno tangento
y = 2radic
2(xminusaradic
62)+aradic
32
v prevoju v prvem kvadrantu in poiščemo absciso ξ presečišča s krožnico
x2 +y2 = 2ax dobimo
ξa=
118
radic
24radic
6minus23+
radic6
3+
19≐ 1259956951
namesto točnejše vrednosti
3radic
2a
≐ 1259921049
71
Če bi podoben račun naredili za Uhlhornovo toksoido ki se v prevojih
tudi približno ujema s tangentama bi dobili slabši rezultat
Zgoraj opisani približek lahko izkoristimo za precej natančno evklid-
sko konstrukcijo roba b podvojene kocke z robom a V koordinatnem sis-
temu Oxy narišemo krožnico s polmerom a s središčem v točki D(a0)
skozi O pa konstruiramo premico p z naklonskim koeficientom k = 2radic
2
Na abscisni osi konstruiramo točkoG(3aradic
680) in skoznjo premico q vz-
poredno s p Presečišče te premice s krožnico je točka T njena pravokotna
projekcija na os y pa točka T0 Razdalja b = ∣T0T ∣ je dober približek za
a 3radic
2 (slika 44) Pri tem izkoristimo izraza za diagonalo kvadrata in višino
enakostraničnega trikotnika v katerih nastopataradic
2 inradic
3 s kombinacijo
obeh pa šeradic
6 Podrobnosti so izpuščene z malo truda lahko konstrukcije
izvede vsak sam
Slika 44 Približna podvojitev kocke
Zrcalno sliko Evdoksove kampile (11) na krožnici x2 + y2 = a2 takoj
dobimo iz polarne oblike njene desne veje lowast(ϕ) = acos2ϕ Z zapisom v
pravokotnih kartezičnih koordinatah dobimo implicitno obliko za celotno
prezrcaljeno krivuljo
(x2 +y2)3 = a2x4
72
Krivulja je algebrska šeste stopnje Simetrična je glede na obe koordinatni
osi Njeni največji odkloni od osi x so pri polarnih kotih ϕ za katere je
3sin2ϕ = 1 to je v točkah (plusmn2aradic
69plusmn2aradic
39) kjer ima krivulja vodo-
ravni dvojni tangenti
Slika 45 Zrcaljenje Evdoksove kampile na krožnici
Nova krivulja spada med Clairautove Ploščina P obeh delov jajčastih
oblik je
P = 4 sdota2
2 intπ2
0cos4ϕdϕ = 2a2 sdot
34
sdotπ2=
3πa2
8
Problem podvojitve kocke grško διπλασιασμός τοῦ κύβου ali deloški
problem poimenovan po grškem otoku Delosu v Egejskem morju je reše-
valo več grških geometrov ki so celo skušali izdelati v ta namen posebno
orodje Platon je pograjal Evdoksove Arhitove in Menajhmove učence
češ da njihovi napori kvarijo kar je dobrega v geometriji Nastal je celo
epigram (puščica zbadljivka) v zvezi s podvojitvijo kocke ki je zapisan v
Evtokijevih komentarjih k Arhimedovi razpravi rdquoO krogli in valjurdquo grško
Περὶ σφαίρας καὶ κυλίνδρου Matematik in neoplatonist Evtokij iz Aškalona
v Palestini Εὐτόκιος ὁ Ασκαλονίτης je bil poznoantični matematik rojen
73
okoli leta 480 umrl pa je okoli leta 520 O njem se ve bore malo Nekaj
časa je deloval v Atenah nazadnje pa v Aleksandriji Napisal je tudi ko-
mentarje k Apolonijevi razpravi rdquoStožnicerdquo v grščini Κωνικά Na stožnice
se je v srednjem kar nekoliko pozabilo zanimanje zanje je spet oživelo
šele v času Keplerja in Newtona ko je bil potreben opis gibanja planetov
v heliocentričnem svetovnem sistemu
Navedimo omenjeni epigram v grščini in v prevodu S Weiss (vzeto iz
obsežnega knjižnega dela v treh delih [3])
Μηδὲ σύ γrsquo Αρχύτεω δυσμήχανα ἔργα κυλίνδρων
μηδὲ Μεναιχμείους κωνοτομεῖν τριάδας
διζήσηι μηδrsquo εἴ τι θεουδέος Εὐδόξοιο
καμπύλον ἐν γραμμαῖς εἶδος ἀναγράφεται
Težkih Arhitovih del s cilindri nikar ne posnemaj
stožnic Menajhmovih treh nikdar izsekal ne boš
niti ne boš spoznal če božanskega črte Evdoksa
res zarišejo lik tak iz zavitih kampil
Videli smo kaj vse se da povedati o neki krivulji če obvladamo in-
finitezimalni račun Seveda nam je to sedaj ko imamo na voljo najnovejše
pripomočke in obsežno ter dostopno matematično literaturo veliko laže
kot je bilo matematikom v 17 stoletju ko so v marsičem še orali ledino
Pomembni znanstveniki rojeni v 17 stoletju
Navedimo nekaj pomembnih znanstvenikov predvsem matematikov fizi-
kov in astronomov ki so se rodili v 17 stoletju Razvrščeni so po letnicah
74
rojstva Veliko podatkov dobimo v [1 5] in na svetovnem spletu
Gilles Personne de Roberval (1602ndash1675)
Pierre de Fermat (1607ndash1665)
Giovanni Alfonso Borelli (1608ndash1679)
Evangelista Torricelli (1608ndash1647)
John Pell (1610ndash1685)
Johann Hevel (1611ndash1687)
Frans van Schooten (1615ndash1660)
Carlo Renaldini (1615ndash1698)
John Wallis (1616ndash1703)
Henry Oldenburg (1618ndash1677)
Michelangelo Ricci (1619ndash1682)
William Brouncker (1620ndash1684)
Edmeacute Mariotte (1620ndash1684)
Jean Picard (1620ndash1682)
Vincenzo Viviani (1622ndash1703)
Reneacute-Franccedilois de Sluse (1622-1685)
Blaise Pascal (1623ndash1662)
Giovanni Domenico Cassini (1625ndash1712)
Robert Boyle (1627ndash1691)
Christiaan Huygens (1629ndash1695)
Isaac Barrow (1630ndash1677)
Ehrenfried Walther von Tschirnhaus (1631ndash1708)
Christopher Wren (1632ndash1723)
Johann Hudde (1633ndash1704)
Robert Hooke (1635ndash1703)
75
William Neile (1637ndash1670)
James Gregory (1638ndash1675)
Philippe de la Hire (1640ndash1719)
Isaac Newton (1643ndash1727)
Olaus Roslashmer (1644ndash1710)
Gottfried Wilhelm Leibniz (1646ndash1716)
Denis Papin (1647ndash1712)
Michel Rolle (1652ndash1719)
Pierre Varignon (1654ndash1722)
Jacob Bernoulli (1655ndash1705)
Edmund Halley (1656ndash1742)
Guillaume Franccedilois Antoine LrsquoHocircpital (1661ndash1704)
David Gregory (1661ndash1708)
Abraham de Moivre (1667ndash1754)
Johann Bernoulli (1667ndash1748)
Jacopo Francesco Riccati (1676ndash1754)
Giulio Carlo Fagnano (1682ndash1766)
Roger Cotes (1682ndash1716)
Reneacute Antoine Reacuteaumur (1683ndash1757)
Greacutegoire de Saint-Vincent (1584ndash1667)
Brook Taylor (1685ndash1731)
Gabriel Daniel Fahrenheit (1686ndash1736)
Colin Maclaurin (1698ndash1746)
Pierre Louis Moreau de Mapertuis (1698ndash1759)
76
Viri
[1] I Asimov Biografska enciklopedija znanosti in tehnike Tehniška za-
ložba Slovenije Ljubljana 1978
[2] J Bair V Henry Sluse ses perles et son algorithme Losanges 14
(2011) str 14ndash18 httphdlhandlenet2268100155 (videno 10
7 2021)
[3] G Kocijančič (urednik) Fragmenti predsokratikov Študentska za-
ložba Ljubljana 2012
[4] G Loria Spezielle algebraische und transscendente ebene Kurven
Teubner Leipzig 1902
[5] U C Merzbach C B Boyer A History of Mathematics John Wiley amp
Sons Hoboken New Jersey 2011
[6] J J OrsquoConnor E F Robertson Reneacute Franccedilois Walter de Sluze MacTu-
tor
httpsmathshistoryst-andrewsacukBiographiesSluze
(videno 10 7 2021)
[7] B von Pape Von Eudoxus zu Uhlhorn Books on Demand Norderstedt
2019
[8] M Razpet Pomnožitev hiperkocke Obzornik mat fiz 68 (2021) št 1
str 1-9
[9] M Razpet in N Razpet Prepogibanje papirja podvojitev kocke in
Slusova konhoida Obzornik mat fiz 67 (2020) št 2 str 41-51
77
[10] Y Renotte Reneacute de Sluze dialogues avec Christiaan Huygens
Bulletin de lrsquouniversiteacute du 3e acircge - Liegravege 23 (2021) 4 strani
httphdlhandlenet22682596400 (videno 10 7 2021)
[11] R F Slusius Mesolabum seu duaelig mediaelig proportionales inter ex-
tremas datas per circulum et ellipsim vel hyperbolam infinitis modis
exhibitaelig Leodii Eburonum Liegravege 1659
[12] R F Slusius Mesolabum seu duaelig mediaelig proportionales inter ex-
tremas datas per circulum et per infinitas hyperbolas vel ellipses et
per quamlibet exhibitaelig ac problematum omnium solidorum effectio
per easdem curvas Leodii Eburonum Liegravege 1668
[13] D Uhlhorn Entdeckungen in der houmlhern Geometrie theoretisch und
practisch abgehandelt Schulzersquosche Buchhandlung Oldenburg 1809
[14] I Vidav Algebra Mladinska knjiga Ljubljana 1972
Avtor se zahvaljuje prof dr Milanu Hladniku za strokovni pregled
copy(2021) Marko Razpet
78
O širini de Sluzovih interesov priča raznolikost tem ki so zajete na
več sto straneh njegovega dela neobjavljenih rokopisov ki jih zdaj hrani
Narodna knjižnica Bibliotheque Nationale v Parizu Čeprav se je ukvarjal
predvsem z matematiko njegovi rokopisi obravnavajo tudi astronomijo
fiziko in naravoslovje
De Slusove perle
Po de Slusu so po zaslugi B Pascala (več o tem v [4]) imenovane tudi
krivulje rdquode Slusove perlerdquo to so krivulje ki se v pravokotnem kartezi-
čnem koordinatnem sistemu Oxy izražajo z enačbo
ym = kxn(aminusx)p (2)
Pri tem so eksponenti mn in p naravna števila a in k pa pozitivni kon-
stanti Glede na parnost eksponentovmn in p formalno razlikujemo osem
možnosti od katerih imamo opravka s perlami le v primeru ko je m sodo
število s pravimi perlami pa v primeru ko je m sodo število n in p pa lihi
števili (slika 10) Skupno tem krivuljam so simetričnost glede na os x in
presečišča s to osjo pri x = 0 in x = a De Sluse je po svoje brez uporabe
odvoda izračunal da njegove perle dosegajo lokalne ekstreme največji
odstop od osi x med 0 in a za x = na(n+p)
V teh primerih je ploščina S lika ki ga ograjuje zanka perle enaka
S = 2k1mint
a
0xnm(aminusx)pmdx = 2k1ma(m+n+p)mint
1
0tnm(1minus t)pmdt
Integracijsko spremenljivko x smo zamenjali z novo spremenljivko t prek
relacije x = at da smo dobili obliko ki jo lahko izrazimo z Eulerjevima
22
Slika 10 Primeri de Slusovih perl
funkcijama B in Γ
S = 2k1ma(m+n+p)mB(nm+1pm+1) =
= 2k1ma(m+n+p)mΓ(nm+1)Γ(pm+1)
Γ((n+p)m+2)=
= 2k1ma(m+n+p)mnp
(m+n+p)(n+p)
Γ(nm)Γ(pm)
Γ((n+p)m)
Pri rotaciji okoli osi x ta lik v prostoru opiše telo s prostornino
V =πk2mint
a
0x2nm(aminusx)2pmdx =πk2ma(m+2n+2p)m
int
1
0t2nm(1minust)2pmdt
23
Slika 11 Zasuk de Slusove perle za m = 2n = 3p = 1k = 001 okoli osi x
Integracijsko spremenljivko x smo tudi to pot zamenjali z novo spremenljivko
t prek relacije x = at da smo dobili obliko ki jo lahko izrazimo z Eulerje-
vima funkcijama B in Γ
V =πk2ma(m+2n+2p)mB(2nm+12pm+1) =
=πk2ma(m+2n+2p)mΓ(2nm+1)Γ(2pm+1)Γ((2n+2p)m+2)
=
= 2πk2ma(m+2n+2p)m np
(m+2n+2p)(n+p)Γ(2nm)Γ(2pm)
Γ((2n+2p)m)
Poseben primer de Slusove perle
Natančneje bomo obravnavali de Slusovo perlo samo primer za m = n = 2
p = 1 in k = 1a to se pravi krivuljo K ki ima implicitno enačbo ay2 =
x2(a minus x) To pa zato ker se posamezne točke te krivulje da preprosto
konstruirati z osnovnim geometrijskim orodjem
24
Geometrijska konstrukcija in analitična obravnava
Do posameznih točk T krivulje K pridemo s preprosto geometrijsko kon-
strukcijo (slika 12) V pravokotnem kartezičnem koordinatnem sistemu
Oxy načrtamo premico x = a kjer je a pozitivna konstanta Skozi koordi-
natno izhodišče O potegnemo premico p ki ima enačbo y = tx in preseka
premico x = a v točki A(ata) Parameter t smerni koeficient premice p s
katerim je sorazmerna ordinata točkeA bomo kasneje spreminjali V točki
A na p postavimo pravokotnico q ki seka os x v točki B V B načrtamo na
q pravokotnico r ki seka premico x = a v točki C nazadnje pa skozi C še
pravokotnico s na r Presečišče premic p in s naj bo točka T (xy) Sedaj
bomo izrazili njeni koordinati x in y s parametrom t
Slika 12 Konstrukcija točke T de Slusove perle K
Premica q ima enačbo y = minus(x minus a)t + at in preseka os x v točki B(a +
at20) Premica r ima enačbo y = t(x minus aminus at2) in preseka premico x = a v
točki C(aminusat3) premica s pa enačbo y = minus(xminus a)t minus at3 Koordinati točke
T sta rešitvi sistema enačb
y = tx y = minusxminusat
minusat3
25
Po krajšem računu dobimo
x(t) = a(1minus t2) y(t) = at(1minus t2) (3)
To sta parametrični enačbi krivulje K Ko spreminjamo t po vseh realnih
vrednostih oziroma ko A drsi po premici x = a točka T (xy) opiše krivuljo
K (slika 13) z zanko ki spominja na perlo
Če si mislimo da je parameter t čas enačbi (3) predstavljata sestav-
ljeno gibanje točkaste mase v dveh med seboj pravokotnih smereh v koor-
dinatni ravnini v smeri osi x po pravilu prve enačbe v smeri osi y pa po
pravilu druge enačbe Tirnica takega gibanja je krivulja K Podoben le da
bolj preprost primer imamo tudi pri gibanju točkaste mase pri poševnem
metu
Slika 13 De Slusova perla K
Ko se t spreminja od zelo velikih negativnih vrednosti potuje T po
loku v drugem kvadrantu navzdol in doseže za t = minus1 prvič točko O Za
minus1 le t le 0 opiše lok v četrtem kvadrantu odO do temenaD(a0) za 0 le t le 1
opiše lok v prvem kvadrantu od D do točke O ki jo doseže drugič za t = 1
za t gt 1 pa se spusti po loku v tretjem kvadrantu navzdol
26
Če upoštevamo (3) dobimo
x2(t)(aminusx(t)) = a2(1minus t2)2 sdotat2 = a(at(1minus t2))2 = ay2(t)
To pomeni da je ay2 = x2(aminusx) implicitna enačba krivulje K in da je K al-
gebrska krivulja tretje stopnje Krivulja K je simetrična glede na os x Za
točke ki so zelo blizu koordinatnemu izhodiščuO je člen x3 zanemarljivo
majhen v primerjavi s kvadratnima členoma zato je tam enačba krivulje
K približno ay2 = ax2 oziroma (y minusx)(y +x) = 0 Ta enačba razpade na dve
y = x in y = minusx V točki O ima krivulja tangenti y = x in y = minusx ki se sekata
pravokotno V točki D je tangenta na krivuljo premica x = a Krivulja ima
na zanki dve glede na os x simetrično ležeči lokalno ekstremni točki v ka-
terih je tangenta vzporedna z osjo x To sta točki Mplusmn(2a3plusmn2aradic
39) De
Sluse jih je na svojevrsten način pravilno izračunal čeprav je bilo v nje-
govem času računanje z odvodi še v zametkih Da bi pravilnost ekstrem-
nih točk preverili brez odvoda uporabimo kvadrat ekstremne ordinate ki
je y2M = 4a227 in zapišimo izraz
ay2M minusx2(aminusx) = 4a327minusax2 +x3 = (xminus2a3)2(x+a3)
ki je za 0 lt x lt a nenegativen in enak 0 za x = 2a3 To pomeni da je
tedaj x2(a minus x) le 4a327 in največja ordinata na zanki krivulje je 2aradic
39
najmanjša pa minus2aradic
39 oboje pri x = 2a3 (slika 14)
Z uporabo odvoda gre vse veliko hitreje Ordinata y doseže ekstrem
takrat kot ay2 Zato je vseeno če poiščemo ekstrem enostavnejše funkcije
g(x) = x2(a minus x) = ax2 minus x3 Potreben pogoj za to je g prime(x) = 2ax minus 3x2 = 0
Dobimo stacionarni točki x1 = 0 in x2 = 2a3 Uporabimo še g primeprime(x) = 2aminus6x
Ker je g primeprime(x1) = 2a gt 0 in g primeprime(x2) = minus2a lt 0 ima funkcija g v točki x1 lokalni
minimum ki je enak 0 v točki x2 pa lokalni maksimum ki je enak 4a327
27
Slika 14 Lokalna ekstrema na de Slusovi perli K
Ekstremna točka na zanki kjer je tangenta vzporedna z osjo x je očitno
le v x2 kvadrat ekstremne ordinate je tedaj g(x2)a = 4a227 = 12a281
Ekstremni ordinati sta torej plusmn2aradic
39 pri abscisi 2a3
Abscise 2a3 ni težko geometrijsko konstruirati prav tako tudi ne or-
dinate 2aradic
39 ki je 29 razdalje ∣PminusP+∣ = aradic
3 kjer sta Pminus in P+ presečišči
krožnih lokov s središčema v točkahO inD in polmerom ∣OD ∣ To pomeni
da sta točki Pminus in P+ konstruktibilni
Če bi načrtali celotna krajša krožna loka med Pminus in P+ bi dobili med
njima lečast lik ki so mu nekoč rekli rdquovesica piscisrdquo kar dobesedno pomeni
rdquoribji mehurrdquo Lik je bil zelo znan v srednjeveški sakralni umetnosti
Čeprav v de Slusovem času še niso poznali odvoda funkcije v današn-
jem smislu so že vedeli zahvaljujoč Fermatu da ima funkcija v točki
lokalnega ekstrema vodoravno tangento
28
Spremljajoča parabola
Nastajanje krivulje K spremljajo še nekatere druge bolj ali manj znane
krivulje Najprej si oglejmo kaj dobimo če točko O pravokotno projici-
ramo na premice r in spreminjamo parameter t Dobljena projekcija naj
bo R (slika 15)
V prispevku se pogosto sklicujemo na povezavo med smernima koe-
ficientoma premice in pravokotnice nanjo Koeficienta sta si inverzna in
nasprotna Zato zlahka napišemo enačbo premice r in pravokotnice skozi
O nanjo
y = t(xminusaminusat2) y = minusxt
Njuno presečišče R ima koordinati
x(t) = at2 y(t) = minusat
Z izločitvijo parametra t dobimo y2 = ax kar pomeni da točke R pri spre-
minjanju točkeA po premici x = a opišejo parabolo rdquospremljajočo parabolordquo
ki ima gorišče v točki F(a40) in vodnico v z enačbo x = minusa4
Slika 15 De Slusova perla K in spremljajoča parabola
29
Ogrinjače
Ko drsi točka A po premici x = a premice s ogrinjajo neko krivuljo Ks
Premice s so v točki T krivulje K pravokotne na premice skozi O in T
Njeno enačbo dobimo po standardnem postopku Enačba premic s je
F(xyt) = y +xminusat
+at3 = 0
To je enoparametrična družina premic ki ogrinjajo krivuljo Ks imeno-
vano rdquoogrinjačardquo te družine (slika 16) V vsaki točki ogrinjače se jo dotika
ena premica v različnih točkah različne premice družine Enačbo njihove
ogrinjače v implicitni obliki dobimo tako da iz sistema enačb
Slika 16 De Slusova perla K in ogrinjače Ks Kq Kr
F(xyt) = 0partFpartt
(xyt) = 0
izločimo parameter t Iz enačbe
partFpartt
(xyt) = minus(xminusa)t2 +3at2 = 0
30
dobimo najprej xminusa = 3at4 kar vstavimo v prvo enačbo v sistemu in imamo
y = minus4at3 Dobili smo ogrinjačo v parametrični obliki
x(t) = a(1+3t4) y(t) = minus4at3
Izločimo t in enačba iskane ogrinjače Ks v implicitni obliki je pred nami
27y4 = 256a(xminusa)3
Ker je y dobljene krivulje sorazmeren s potenco (x minus a)34 lahko rečemo
da je ogrinjača premic s četrtkubična parabola
Podobno poiščemo ogrinjačo Kq premic q
F(xyt) = yt +xminusaminusat2 = 0partFpartt
(xyt) = y minus2at = 0
Ogrinjača v parametrični obliki je to pot
x(t) = a(1minus t2) y(t) = 2at
Z izločitvijo parametra t dobimo njeno enačbo v implicitni obliki
y2 = minus4a(xminusa)
Dobljena krivulja Kq je parabola z vodnico x = 2a in goriščem v točki O
(slika 16)
Nazadnje po enakem postopku kot doslej poiščemo še ogrinjačo Kr
premic r
F(xyt) = y minus tx+at +at3 = 0partFpartt
(xyt) = minusx+a+3at2 = 0
Ogrinjača v parametrični obliki je potem
x(t) = a(1+3t2) y(t) = 2at3
31
Z izločitvijo parametra t dobimo njeno enačbo še v implicitni obliki
27ay2 = 4(xminusa)3
Dobljena krivulja Kr je polkubična ali Neilova parabola z ostjo v točki
D(a0) kjer ima vodoravno tangento (slika 16) Krivuljo Ks smo up-
ravičeno imenovali četrtkubična parabola Slednja ima v točki D(a0)
navpično tangento
Edinole premice p od tistih ki sodelujejo v konstrukciji točk krivulje
K nimajo ogrinjače Vse premice p namreč potekajo skozi koordinatno
izhodišče O in očitno ne ogrinjajo nobene krivulje
Nožiščne krivulje
Novo krivuljoHprime dobimo če na tangente dane krivuljeH pravokotno pro-
jiciramo izbrano točko Φ Vse projekcije P nožišča točke Φ na tangentah
krivuljeH sestavljajo krivuljoHprime ki jo imenujemo rdquonožiščnardquo ali rdquopedalna
krivuljardquo krivulje H glede na točko Φ
Beseda rdquopedalenrdquo izhaja iz latinske rdquopedalisrdquo kar pomeni rdquonoženrdquo Os-
novna beseda je rdquopesrdquo v rodilniku ednine rdquopedisrdquo kar pomeni rdquonogardquo Od
tod izvirajo tudi besede rdquopedalordquo rdquopedalarrdquo in rdquopedalinrdquo
Poiščimo nekaj nožiščnih krivulj glede na koordinatno izhodišče O
Najprej za krivuljo K ki je poseben primer de Slusove perle Za odvod
v točki T isinK ki ustreza parametru t dobimo
dy
dx(x) =
y
x(t) =
3t2 minus12t
Enačbi tangente v T in pravokotnice skozi O nanjo pa se glasita
y minusat(1minus t2) =3t2 minus1
2t(xminusa(1minus t2)) y =
2t1minus3t2
x
32
Sekata se v točki P s koordinatama
x(t) =a(t2 minus1)2(1minus3t2)
9t4 minus2t2 +1 y(t) =
2at(t2 minus1)2
9t4 minus2t2 +1 (4)
S tem smo našli parametrični enačbi krivulje Kprime (slika 17) Do implicitne
enačbe je dolga pot prek rezultante dveh polinomov spremenljivke t od
katerih je prvi druge drugi pa pete stopnje Najprej opazimo da je v (4)
yx = 2t(1minus 3t2) kar lahko zapišemo kot p(t) = 3yt2 + 2xt minus y = 0 drugo
enačbo pa zapišemo v obliki q(t) = 2at5 minus 9yt4 minus 4at3 + 2yt2 + 2at minus y = 0
Zaradi enostavnosti smo pisali x in y brez argumenta t Da izločimo pa-
rameter t je treba zapisati rdquorezultantordquo R(p(t)q(t)) polinomov p(t) in
q(t) in jo izenačiti z 0 (glej [14])
R(p(t)q(t)) =
RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR
2a minus9y minus4a 2y 2a minusy 0
0 2a minus9y minus4a 2y 2a minusy
3y 2x minusy 0 0 0 0
0 3y 2x minusy 0 0 0
0 0 3y 2x minusy 0 0
0 0 0 3y 2x minusy 0
0 0 0 0 3y 2x minusy
RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR
= 0
Zadnji stolpec je deljiv z y Ker y = 0 ni del iskane nožiščne krivulje pre-
ostane ko izračunamo determinanto in jo okrajšamo z y in preuredimo
27y2(x2 +y2)2 +4ax(x2 minus9y2)(x2 +y2)minus4a2(x2 minusy2)2 = 0
Rezultat je torej algebrska krivulja šeste stopnje Krivulja je simetrična
glede na abscisno os točka O pa je njena posebna točka Za zelo majhne
x in y prevlada zadnji člen kar pomeni da sta premici y = x in y = minusx v O
tangenti na krivuljo
33
Slika 17 Nožiščna krivulja Kprime krivulje K glede na koordinatno izhodišče
Zanka krivulje Kprime nekoliko spominja na srčnico ali kardioido ki jo
opisujejo točke krožnice ki se brez drsenja kotali po enako veliki krožnici
Krivulja Kprime ima še neomejeni del ki se razteza po drugem in tretjem kvad-
rantu Poglejmo kako potuje točka po krivulji v parametrizaciji (4) ko
parameter t teče po številski premici Za t lt minus1 poteka krivulja po tretjem
kvadrantu pri čemer x(t)rarr minusinfin in y(t)rarr minusinfin ko t rarr minusinfin Pri t = minus1 točka
doseže O v obliki osti ki ima za tangento premico y = x Za minus1 lt t lt 0
potuje točka po četrtem kvadrantu doseže točko D pri t = 0 za 0 lt t lt 1
potuje naprej po prvem kvadrantu in pri t = 1 spet doseže O kjer ima
ost s tangento y = minusx nato nadaljuje pot po drugem kvadrantu pri čemer
x(t)rarr minusinfin in y(t)rarrinfin ko trarrinfin
Nožiščna krivulja malo prej obravnavane krivulje Ks glede na točko O
ni nič drugega kot krivulja K Premice s so namreč tangente na Ks nožišča
točke O na njej pa so točke krivulje K Lahko pa to preverimo z računom
34
tako kot smo poiskali nožiščno krivuljo Kprime za K glede na točko O
Za odvod v poljubni točki na Ks ki ustreza parametru t dobimo
dy
dx(x) =
y
x(t) = minus
1t
Enačbi tangente v tej točki in pravokotnice skozi O nanjo pa se glasita
y +4at3 = minus1t(xminusa(1+3t4)) y = tx
Sekata se v točki s koordinatama
x(t) = a(1minus t2) y(t) = at(1minus t2)
To sta ravno parametrični enačbi krivulje K tako da velja Kprimes =K
Podobno ugotovimo tudi da je premica x = a nožiščna krivulja za para-
bolo Kq Premica x = a je tangenta te parabole v temenu V splošnem je
temenska tangenta parabole kar njena nožiščna krivulja glede na gorišče
Ugotovili smo torej da je nožiščna krivulja krivulje Kr spremljajoča para-
bola krivulje K
Ekstremne točke nožiščne krivulje Kprime
Ekstremne točke na zanki krivulje Kprime dobimo iz odvodov
x(t) =2at(1minus t2)(3t2 +1)(9t4 +2t2 minus3)
(9t4 minus2t2 +1)2
y(t) =2a(t2 minus1)(3t2 +1)(3t4 +6t2 minus1)
(9t4 minus2t2 +1)2
Za t = 0 doseže v točki D(a0) abscisa svojo največjo vrednost Za t = plusmn1
poteka krivulja skozi točko O kjer sama sebe preseka pod pravim kotom
ker je yprime(0) = (yx)(plusmn1) = ∓1
35
Najmanjšo absciso na zanki ima krivulja Kprime v točki ki jo določa para-
meter t za katerega velja pogoj 9t4 +2t2 minus3 = 0 To je bikvadratna enačba
katere realni rešitvi sta tplusmn = plusmnradic
2radic
7minus13 ustrezni točki na krivulji pa
izračunamo z enačbama (4) in dobimo
Xplusmn(a(17minus7radic
7)27plusmnaradic
74radic
7minus17227)
Ekstremni ordinati na zanki ima krivulja takrat za tisto vrednost para-
metra t za katerega velja pogoj 3t4 + 6t2 minus 1 = 0 Realni rešitvi te bi-
kvadratne enačbe sta tplusmn = plusmn(3radic
2minusradic
6) 4radic
36 ustrezni točki na krivulji pa
Yplusmn(a(3minusradic
3)3plusmna 4radic123)
Ker v koordinatah ekstremnih točk nastopajo poleg osnovnih aritmetičnih
operacij le kvadratni in bikvadratni (četrti) koreni so te točke konstruk-
tibilne
Cisoida
Spoznali smo enega od načinov pridobivanja novih ravninskih krivulj iz
danih to je z nožišči izbrane točke na tangentah dane krivulje Krivulji
s tem priredimo nožiščno krivuljo glede na izbrano točko Drug tak pre-
prost način kako iz znanih krivulj dobimo nove je cisoidni način Kako
pa ta poteka
Denimo da sta znani krivulji K1 in K2 ter točka O ki ležijo v isti
ravnini Pri tem sta K1 in K2 taki krivulji da vsaka premica p skozi O
ki seka K1 v neki točki T1 seka tudi K2 recimo v točki T2 (slika 18) Za
vsak T1 označimo na p točko T tako da veljaETHOT =
ETHETHT1T2 Ko T1 potuje po
K1 T opiše krivuljo C ki jo imenujemo cisoida krivulj K1 in K2 glede na
točko O Definicije take cisoide se nekoliko razlikujejo od vira do vira
36
Slika 18 Krivulja C je cisoida krivulj K1 in K2 glede na točko O
Dioklova cisoida s katero rešimo problem podvojitve kocke je cisoida
krožnice x2 + y2 = ax in premice x = a glede na koordinatno izhodišče O
Več o cisoidah in njihovi uporabi je napisanega na primer v [8]
Krivulja K je povezana tudi s polkubično ali semikubno ali Neilovo
parabolo poimenovano po Williamu Neilu (1637ndash1680) Parametrični
enačbi (3) lahko zapišemo v vektorski obliki v standardni bazi kot razliko
kolinearnih vektorjev
r(t) = (x(t)y(t)) =ETHOT = (a(1minus t2)at(1minus t2)) = (aat)minus (at2at3)
Vektor r1(t) = (aat) = (a0)+at(01) je enačba premice x = a v parametrični
obliki vektor r2(t) = (at2at3) pa polkubične parabole ki ima enačbo ay2 =
x3 in ost v točkiO Parameter t geometrijsko pomeni tangens naklonskega
kota premice OA (slika 13)
Premica y = tx poteka skozi koordinatno izhodišče O in seka premico
x = a v točkiA(aat) zato jeETHOA = r1 Ista premica seka polkubično parabolo
P ki ima enačbo ay2 = x3 v točki P (at2at3) tako da jeETHOP = r2 S tem je
ETHPA =
ETHOAminus
ETHOP = r1minus r2 = r To pomeni da je r =
ETHOT =
ETHOAminus
ETHOP Potemtakem
je krivulja K cisoida polkubične parabole P z enačbo ay2 = x3 in premice
37
Slika 19 De Slusova perla K kot cisoidna krivulja
x = a glede na točko O (slika 19)
Neilova parabola in ločna dolžina
Neilova ali polkubična parabola ay2 = x3 je bila v zgodovini matematike
pomembna kot ena prvih krivulj za katero so znali izračunati ločno dolžino
Prav prvi je to znal John Wallis (1616ndash1703) leta 1657
Denimo da nas zanima ločna dolžina `(b) te krivulje nad intervalom
[0b] (slika 20) Znano je da lahko uporabimo formulo za ločno dolžino
krivulje ki je dana v eksplicitni obliki
`(b) = intb
0
radic
1+yprime2dx
Pri tem je y = f (x) enačba krivulje in yprime = f prime(x) V našem primeru je y =
38
Slika 20 Neilova ali polkubična parabola
f (x) = plusmnradicx3a Kratek račun nam da yprime2 = 9x(4a) in
`(b) = intb
0
radic
1+9x4adx
Z uvedbo nove integracijske spremenljivke u z relacijo u2 = 1 + 9x(4a)
dobimo
`(b) =8a9 int
c
1u2du =
8a27
(c3 minus1)
pri čemer je c =radic
1+9b(4a)
Leibnizeva izohrona je krivulja po kateri se je leta 1687 vprašal G W
Leibniz Poiskati je treba v navpični ravnini krivuljo po kateri se brez
trenja giblje točkasta masa ki je podvržena konstantnemu težnostnemu
polju tako da je navpična komponenta njene hitrosti ves čas konstantna
Nalogo je prvi rešil C Huygens nizozemski astronom fizik in matema-
tik znan tudi po odkritju Saturnovega satelita Titana in znamenitih Sat-
urnovih obročev ter po izdelavi prve ure na nihalo kar je bilo za tiste čase
velik napredek v merjenju točnega časa
39
Slika 21 Leibnizeva izohrona
Izhodišče O postavimo v najvišjo točko krivulje (slika 21) V tej točki
je horizontalna hitrost premikajoče se mase m enaka 0 Naj bo v0 njegova
navpična hitrost navzdol Os y je vodoravna os x pa usmerjena navz-
dol Potencialno energijo mase računamo nad izbranim nivojem spodaj V
skladu z načelom ohranitve mehanske energije v času t in času 0 potem
velja12mv2(t)+mg(hminusx(t)) =
12mv2
0 +mgh
Pri tem je g težni pospešek Po poenostavitvi dobimo v2(t) = 2gx(t)+ v20
Vektor hitrosti ima v vsakem trenutku med seboj pravokotni komponenti
v(t) = (x(t) y(t)) za t = 0 pa v(0) = (v00) Upoštevamo da je ∣v(t)∣2 =
v2(t) = x2(t) + y2(t) in da je x(t) = v0 pa imamo sistem diferencialnih
enačb
x(t) = v0 y(t) =radic
2gx(t)
ki ga rešimo pri začetnih pogojih x(0) = y(0) = 0 in dobimo
x(t) = v0t y(t) =23
radic2gv0t3
40
Koordinati točk na dobljeni krivulji zadoščajo enačbi
ay2 = x3 a =9v2
0
8g
Pri dani konstanti a je v0 = (23)radic
2ag Iskana krivulja je torej Neilova
parabola Ime izohrona je dobila zato ker točkasta masa po vertikali
v enakih časih prepotuje enake razdalje V grščini beseda ἴσος pomeni
rdquoenakrdquo χρόνος pa rdquočasrdquo
Dolžina ` zanke krivulje K nas pripelje do zapletenega eliptičnega in-
tegrala za katerega zapišimo približno vrednost
` = 2aint1
0
radic9t4 minus2t2 +1dt ≐ 271559186a
Pač pa je dolžina loka ` četrtkubične parabole Ks ogrinjače premic s bolj
prijazna Za dolžino loka od točke D ki ustreza parametru t = 0 do točke
ki ustreza parametru t = α dobimo
` = 12aintα
0t2
radic1+ t2dt =
3a2
(α(1+2α2)radic
1+α2 minus ln(α +radic
1+α2))
Prav tako dolžina loka ` navadne parabole Kq ogrinjače premic q ne
dela težav Za dolžino loka od točke D ki ustreza parametru t = 0 do
točke ki ustreza parametru t = α dobimo
` = 2aintα
0
radic1+ t2dt = a(α
radic1+α2 + ln(α +
radic1+α2))
Za spremljajočo parabolo dobimo prav tako enostaven rezultat za ločno
dolžino od točke O do točke ki ustreza parametru t = α
` = intα
0
radic1+4t2dt =
a4(2α
radic1+4α2 + ln(2α +
radic1+4α2))
Nazadnje zapišimo še ločno dolžino polkubične parabole Kr
` = 6aintα
0tradic
1+ t2dt = 2a((1+α2)radic
1+α2 minus1)
41
Pri vseh zgornjih primerih je parameter t strmina premice p v prvotni
konstrukciji krivulje K
Ploščine in prostornine
Ploščina S lika ki ga omejuje zanka krivulje K je
S =2radica int
a
0xradicaminusxdx
Z uvedbo nove integracijske spremenljivke t z relacijo aminusx = t2 je
S =4radica int
radica
0t2(aminus t2)dt =
4radica int
radica
0(at2 minus t4)dt =
8a2
15
Lahko pa jo izrazimo tudi s splošno formulo ki smo jo izpeljali na začetku
razdelka S to formulo lahko izrazimo še prostornino V telesa ki ga pri
rotaciji okoli osi x opiše lik
V =πa int
a
0x2(aminusx)dx =
πa3
12
To je ravno polovica prostornine krogle s premerom a
Pač pa je izraz za ploščino S prime lika ki ga omejuje zanka krivulje Kprime bolj
zapleten izraz Uporabimo parametrični enačbi (4) in dobimo
S prime = int1
0(x(t)y(t)minus x(t)y(t))dt = 2a2
int
1
0
(1minus t2)3(1+2t2 minus3t4)(9t4 minus2t2 +1)2 dt
Če se zanesemo na računalniško računanje določenih integralov potem je
S prime =2a2
729(3(43πminus28)+52
radic2ln(1+
radic2))
kar je približno S prime ≐ 1059206796a2 Do enakega rezultata pridemo z
navidez enostavnejšo formulo
S prime = 2inta
0y(x)dx
42
toda drugim težjim integralom
S prime = 2int0
1y(t)x(t)dt = minus8a2
int
1
0
t2(1minus t2)3(3t2 +1)(9t4 +2t2 minus3)(9t4 minus2t2 +1)3 dt
Zakaj smo integrirali po parametru t od 1 do 0 Zato ker abscisa x narašča
od 0 do a ko t pada od 1 do 0 Ordinata y pa je pri tem nenegativna (glej
izraza (4))
Tudi izraz za prostornino V prime telesa ki ga pri rotaciji okoli osi x opiše
lik omejen s Kprime je navidez enostaven
V prime =πinta
0y2(x)dx
toda s parametrom t je zapleten a eksaktno izračunljiv
V prime =πint0
1y2(t)x(t)dt = 8πint
1
0
t3(t2 minus1)5(3t2 +1))(9t4 +2t2 minus3)(9t4 minus2t2 +1)4 dt
Za rezultat dobimo
V prime =2πa3
19683(431π
radic2+369+744ln2)
kar je približno V prime ≐ 08936800975a3
Naj bo s tem računanja integralov dovolj V nadaljevanju se bomo
posvetili nekaterim lažjim problemom
Tangenta
Pri krivuljah v koordinatnem sistemu Oxy so pomembni štirje dotikalni
elementi za posamezne točke T odsek na tangenti ∣TA∣ odsek na normali
∣T B∣ subtangenta ∣AT prime∣ in subnormala ∣BT prime∣ (slika 23) Izražajo se takole
∣TA∣ = ∣y
yprime
radic
1+yprime2∣ ∣T B∣ = ∣yradic
1+yprime2∣ ∣T primeA∣ = ∣y
yprime∣ ∣T primeB∣ = ∣yyprime∣
43
Slika 22 Ploščini likov omejenih z zankama krivulj K in Kprime
Pri tem pomeni yprime = f prime(x) če je enačba krivulje y = f (x) Točka T prime je pra-
vokotna projekcija točke T na abscisno os A je presečišče tangente na
krivuljo v točki T z osjo x B pa presečišče normale z osjo x Dotikalni
elementi so posebej definirani tudi za krivulje v polarnih koordinatah
Slika 23 Dotikalni elementi krivulje
De Sluse je za algebrsko krivuljo f (xy) = 0 po svoje našel izraz za sub-
tangento ts to je pravokotno projekcijo odseka na tangenti
44
na os x V današnji pisavi se subtangenta izraža v obliki
ts = minusy
partfparty (xy)
partfpartx (xy)
Za krivuljo K je f (xy) = ay2 minusx2(aminusx) = 0 in
ts =2x(xminusa)3xminus2a
Lotimo se še konstrukcije tangente t in normale n naK v točki T0(x0y0) ne
O ki enolično določa točko A(aay0x0) kot presečišče premice p skozi O
in T0 s premico x = a Skozi A povlecimo vzporednico nprime z normalo n na K
v točki T0 Normala ima smerni koeficient kn = tsy0 oziroma
kn =
partfparty (x0y0)
partfpartx (x0y0)
=2ay0
x0(3x0 minus2a)
Premica nprime ima enačbo
y minusay0
x0=
2ay0
x0(3x0 minus2a)(xminusx0)
in preseka abscisno os v točki T1(x10) za katero po krajšem računu do-
bimo x1 = 2a minus 3x02 Točko T1 in premico nprime zlahka geometrijsko kon-
struiramo Iskana tangenta t v točki T0 je pravokotna na nprime normala n pa
vzporedna z nprime (slika 24)
Inverzija krivulje K na krožnici
Po navadi za ravninske krivulje pogledamo še njihove inverzne slike na
krožnici Inverzija ali zrcaljenje na krožnici x2 + y2 = r2 je ravninska pres-
likava ι definirana s predpisom
ι ∶ (xy)↦ (r2x
x2 +y2 r2y
x2 +y2)
45
Slika 24 Tangenta in normala na krivuljo K
S spreminjanjem polmera r krožnice dobimo med seboj podobne krivulje
Če zrcalimo na krožnici x2 + y2 = a2 krivuljo K ki ima implicitno enačbo
(2) dobimo krivuljo Klowast ki ima enačbo
y4 = minusx3(aminusx)
ki je formalno oblike (2) zam = 4n = 3p = 1 in k = minus1 Dobljena krivuljaKlowast
je simetrična glede na os x ima dve veji abscisa na njej doseže ekstremni
vrednosti v točkah O(00) in D(a0) Ima pa kot bomo videli tudi dve
asimptoti y = xminusa4 in y = minusx+a4 (slika 25)
Krivuljo Klowast se da lepo parametrizirati s parametrom τ če v njeno
enačbo y4 = minusx3(aminusx) vstavimo y = τx Dobimo
x(τ) =a
1minusτ4 y(τ) =aτ
1minusτ4
To sta parametrični enačbi krivulje Klowast
Ko τ uarr minus1 x(τ)rarr minusinfin in y(τ)rarr +infin ko τ darr minus1 x(τ)rarr +infin in y(τ)rarr minusinfin
ko τ uarr +1 x(τ)rarr +infin in y(τ)rarr +infin ko τ darr +1 x(τ)rarr minusinfin in y(τ)rarr minusinfin
46
Slika 25 Inverzna slika Klowast krivulje K
Konstanti k in n poševne asimptote y = kx + n krivulje Klowast dobimo s
formulama
k = limxrarrplusmninfin
y
x n = lim
xrarrplusmninfin(y minus kx)
V našem primeru je
k = limxrarrplusmninfin
y
x= limτrarrplusmn1
τ = plusmn1 n = a limτrarrplusmn1
τ ∓11minusτ4 = ∓
a4
Poševni asimptoti sta torej premici y = plusmn(xminusa4)
Obnašanje krivulje v okolici točke D utemeljimo če zapišemo impli-
citno obliko krivulje nekoliko drugače
y4 = (xminusa)x3 = (xminusa)(a+(xminusa))3 = a3(xminusa)+3a2(xminusa)2+3a(xminusa)3+(xminusa)4
47
Slika 26 Krivulja Klowast in približka v okolici točk O in D
Za x ki je zelo blizu a prevlada na desni prvi člen tako da je y4 asymp a3(xminusa)
Razlika xminusa se torej obnaša približno tako kot bikvadrat ordinate y
V okolici točke O kjer so abscise negativne iz istega razloga velja y4 asymp
minusax3 zato se tam krivulja obnaša približno tako kot četrtkubična parabola
(slika 26)
Inverzija krivulje Kprime na krožnici
Na krožnici x2 + y2 = a2 zrcalimo še krivuljo Kprime nožiščno krivuljo krivulje
K glede na točko O Dobimo dvodelno krivuljo Kprimelowast kakršno vidimo na
sliki 27
Enačba nove krivulje v implicitni obliki je
4(x2 minusy2)2 minus4ax(x2 minus9y2)minus27a2y2 = 0
48
Slika 27 Inverzna slika Kprimelowast krivulje Kprime
Krivulja je algebrska četrte stopnje je simetrična glede na os x ima ost
z vodoravno tangento v točki O skozi točko D pa poteka v blagem loku
Natančneje ugotovimo približni potek krivulje v okolici teh dveh točk če
v zgornji enačbi obdržimo prevladujoče člene V okolici točke O kjer so
abscise negativne je ay2 asymp minus4x327 torej približno tako kot polkubična
parabola V okolici točke D(a0) je y2 asymp minus4a(x minus a) kar pomeni da se
krivulja obnaša približno tako kot parabola
Pritisnjeni krožnici na K
Pritisnjeni krožnici v točki O na krivuljo K sta inverzni sliki asimptot
krivulje Klowast na krožnici x2 + y2 = a2 Preprost račun pokaže da se asimp-
toti krivulje Klowast z inverzijo ι preslikata v krožnici x2 + y2 plusmn4ay minus4ax = 0 ki
imata središči v točkah Splusmn(2aplusmn2a) in polmer 2aradic
2 Sekata se pavokotno
v točkah O in M(4a0) Inverzija ι namreč ohranja kote (slika 28)
49
Slika 28 Pritisnjeni krožnici na krivuljo K v točki O
Ukrivljenost κ(t) krivulje K v točki ki ustreza parametru t brez težav
izračunamo iz njenih parametričnih enačb (3)
κ(t) =2(3t2 +1)
a(1minus2t2 +9t4)32
V posebnem primeru je v točki O to se pravi za t = plusmn1 ukrivljenost enaka
κ(plusmn1) = 1(2aradic
2) zato sta v O polmera pritisnjenih krožnic 1κ(plusmn1) =
2aradic
2 kar se seveda ujema z rezultatom dobljenim z inverzijo na krožnici
Toksoida
Videli smo da je inverzna slika krivulje K krivulja Klowast ki ima enačbo y4 =
minusx3(aminusx) ki je formalno oblike (2) zam = 4n = 3p = 1 in k = minus1 Prav tako
je krivulja ay2 = minusx2(aminus x) ki jo dobimo iz enačbe ay2 = x2(aminus x) krivulje
K če zamenjamo aminus x z x minus a formalno oblike (2) za m = 2n = 2p = 1 in
50
k = minus1a Krivuljo označimo jo s T ki ima enačbo
ay2 = x2(xminusa)
je nemški amaterski matematik samouk in izumitelj Diedrich (tudi Diede-
rich) Uhlhorn (1764ndash1837) imenoval rdquotoksoidardquo V svojem delu [13] obrav-
nava več krivulj in za nekatere tudi opiše mehanske naprave s katerimi
se jih da risati pa tudi njihovo uporabo pri reševanje enačb Beseda rdquotok-
soidardquo izvira iz dveh grških τόξον kar pomeni rdquolokrdquo (kot orožje) pa tudi
rdquopuščicardquo in εἶδος kar med drugim pomeni rdquooblika podobardquo D Uhlhorn
je imenoval krivuljo v nemščini rdquoBogenlinierdquo ker nemški samostalnik rdquoBo-
genrdquo pomeni prav tako rdquolokrdquo Iz besede τόξον smo dobili tudi besede ki
so povezane s strupi kajti bojne puščice so bile često zastrupljene
Slika 29 Toksoida
Toksoida ima tudi izolirano točkoO(00) saj njeni koordinati zadoščata
implicitni enačbi
Iz implicitne enačbe toksoide dobimo z zamenjavo y = tx njeni parametri-
čni enačbi
x(t) = a(1+ t2) y(t) = at(1+ t2) (5)
ki pa ne vključujeta izolirane točke O
51
Toksoida je algebrska krivulja tretje stopnje simetrična glede na os x
ki jo preseka za t = 0 v točki D(a0) kjer ima navpično tangento Krivulja
na prvi pogled ni nič posebnega a že D Uhlhorn je pokazal kako se kon-
struira njene posamezne točke in kako se z njo podvoji kocko
Slika 30 Konstrukcija točk toksoide
Do točke T na toksoidi pridemo takole V koordinatnem sistemu Oxy
za pozitiven a določimo točko D(a0) in skoznjo konstruiramo pravokot-
nico na os x torej premico x = a (slika 30) Na tej premici izberemo točko
A ki jo bomo spreminjali da bomo dobili krivuljo Skozi O in A nato
načrtamo premico p v A pa nanjo pravokotnico q ki seka abscisno os v
točki B V B postavimo na abscisno os pravokotnico r ki preseka premico
p v točki T Ko A potuje po premici x = a točka T opiše toksoido T brez
izolirane točke O
Da res dobimo toksoido T je treba samo zapisati enačbi y = tx premice
p in y = minus(x minus a)t + at premice q ter točki A(aat) in B(a(1 + t2)0) ter
T (a(1+t2)at(1+t2)) Koordinati točke T pa res dasta paramatrični enačbi
52
toksoide
Slika 31 Konstrukcija srednjih geometrijskih sorazmernic s toksoido
Iz podobnih trikotnikov ODA OAB in OBT na sliki 30 sledi relacija
∣OD ∣
∣OA∣=∣OA∣
∣OB∣=
∣OB∣∣OT ∣
kar pomeni da sta ∣OA∣ in ∣OB∣ srednji geometrijski sorazmernici daljic
∣OD ∣ = a in ∣OT ∣ = b Zato lahko izrazimo ∣OA∣ =3radica2b in ∣OB∣ =
3radicab2 na isti
način kot pri (3)
Če imamo že načrtano toksoido T potem srednji geometrijski sorazmer-
nici za a in b gt a dobimo tako da poiščemo presečišče T krožnice s sredi-
ščem v O skozi točko C(b0) in na zgoraj opisan način poiščemo premice
pq in r ter točki A in B (slika 31) Za b = 2a na ta način rešimo problem
podvojitve kocke ∣OA∣ = a 3radic
2
Ukrivljenost κ(t) toksoide T v točki ki ustreza parametru t brez težav
53
izračunamo iz njenih parametričnih enačb (5)
κ(t) =2(3t2 minus1)
a(1+10t2 +9t4)32
Opazimo da ukrivljenost menja predznak pri t = plusmn1radic
3 kar nam da točki
Pplusmn(4a3plusmn4aradic
39) v katerih ima T prevoja s tangentama s smernima koe-
ficientoma plusmnradic
3 Tangenti oklepata z osjo x kota plusmnπ3 Pritisnjena krožnica
v točki D ki ustreza t = 0 ima za polmer 1∣κ(0)∣ = a2 in središče v točki
S(3a20) (slika 32)
Slika 32 Prevoja toksoide T in pritisnjena krožnica v točki D
Prevoja sta konstruktibilna pri čemer si lahko pomagamo z vesico pis-
cis nad daljico OD Njeni točki Vplusmn sta narazen za aradic
3 premici skozi O
in Vplusmn pa določata smeri tangent v prevojih Prav tako je konstruktibilna
točka S V okolici točk D in Pplusmn je ujemanje toksoide s pritisnjeno krožnico
v D in tangentama v prevojih Pplusmn zelo dobro
54
Enačba toksoide T v polarnih koordinatah in ϕ je
(ϕ) =a
cos3ϕ
kar sledi iz njene implicitne oblike
a(x2 +y2) = x3
Pri tem je treba le upoštevati zvezi x2 +y2 = 2 in x = cosϕ
Polarna oblika je zelo primerna za študij inverzije na krožnici s središčem
v točki O in polmerom R Če je namreč lowast polarni polmer invertirane
krivulje mora veljati relacija
(ϕ)lowast(ϕ) =R2
Če izberemo R = a dobimo za inverzno sliko toksoide T krivuljo (slika 33)
T lowast ki ima nasledno enačbo v polarnih koordinatah
lowast(ϕ) = acos3ϕ
Slika 33 Inverzna slika T lowast toksoide T
55
Iz polarne oblike krivulje T lowast hitro izpeljemo še njeno implicitno enačbo
(x2 +y2)2 = ax3
Torej je T lowast algebrska krivulja četrte stopnje
Ploščino S lika ki ga ograjuje krivulja T lowast izračunamo po znani for-
muli
S = 2 sdot12 int
π2
0lowast2(ϕ)dϕ = a2
int
π2
0cos6ϕdϕ = a2 sdot
56
sdotπ2=
5πa2
32
Krivulja T lowast je simetrična glede na os x v točkah O in D ima navpični
tangenti največji odklon od osi x pa doseže v točkah Yplusmn(9a16plusmn3aradic
316)
kjer ima vodoravni tangenti in sicer pri polarnih kotih plusmnπ6
De Slusove pomnoževalke hiperkock
Podvojitev kocke je kot vemo klasični grški geometrijski problem ki se ga
ne da rešiti evklidsko to je samo z neoznačenim ravnilom in šestilom kar
so dokazali šele v 19 stoletju Problem zahteva določiti rob kocke ki ima
prostornino enako dvakratniku prostornine dane kocke To pomeni da
je treba za dano daljico a konstruirati tako daljico b za katero je b = a 3radic
2
Problem podvojitve kocke so Grki znali rešiti na več načinov Eden od njih
je možen s posebno ravninsko krivuljo z Dioklovo cisoido (več na primer
v [7])
Povsem smiselno se je vprašati kako bi pomnožili s faktorjem s gt 0
poljubno r-razsežno hiperkocko z robom a Njena prostornina je ar zato
je b = a rradics rob hiperkocke katere prostornina je s-kratnik prostornine
hiperkocke z robom a Dva primera sta trivialna Za r = 1 imamo daljico
56
njena rdquoprostorninardquo je kar njena dolžina a za r = 2 pa kvadrat čigar rdquopros-
torninardquo je kar njegova ploščina a2 Za r = 3 imamo opraviti z običajno
kocko z običajno prostornino a3 V prvih dveh primerih množenje s fak-
torjem s ni problematično saj s problemom lahko geometrijsko rešimo s
podobnimi trikotniki in z višinskim izrekom v pravokotnem trikotniku
Za r ge 4 si r-razsežno hiperkocko teže predstavljamo ker je ne moremo
realizirati z običajno geometrijo To pa ni ovira pri pomnožitvi take hiper-
kocke s številom s ker moramo znati samo njen rob a geometrijsko pom-
nožiti s številom rradics kar pa lahko naredimo v običajni ravnini V mate-
matični analizi je r-razsežna hiperkocka z robom a na primer kar r-kratni
kartezični produkt intervala [minusa2a2] s samim seboj to je množica
[minusa2a2]r = (x1x2 xr) isinRr ∶ ∣x1∣ le a2 ∣x2∣ le a2 ∣xr ∣ le a2
Oglejmo si de Slusove perle (2) z eksponenti mn =mminus 1 in p = 1 fak-
torjem k = 1 ter a gt 0 pri čemer je m sodo število to se pravi krivulje z
implicitno enačbo
ym = xmminus1(aminusx) (6)
oziroma xm + ym = axmminus1 Pri danem m označimo ustrezno krivuljo s Hm
Med njimi je tudi stara znanka x2 + y2 = ax krožnica s polmerom a2
in središčem v točki S(a20) Skupne vsem krivuljam so točke O(00)
Cplusmn(a2plusmna2) D(a0) ter navpični tangenti v O in D Krivulje Hm so za-
ključene in simetrične glede na os x in se dajo lepo parametrizirati z y = tx
Za vsako dobimo parametrično enačbo
x(t) =a
1+ tm y(t) =
at1+ tm
(7)
Najbolj se taka krivulja oddalji od abscisne osi za t = 1 mradicmminus1 v točkah
Yplusmn(a(mminus1)mplusmnam mradic
(mminus1)mminus1) Za t = 0 dobimo točko D za ∣t∣rarrinfin pa
57
se krivulja bliža točki O Slika 34 kaže nekaj primerov
Slika 34 Nekaj krivulj Hm
Naj bo s poljubno pozitivno število in A(0as) točka na osi y Premica
skozi A in D preseka krivuljo Hm v točkah D(a0) in B(x0y0) za katero
potrebujemo samo razmerje y0x0 Na sliki 35 je izbran eksponent m = 4
Premica skozi A in D ima enačbo xa+sya = 1 iz katere izrazimo aminusx = sy
in vstavimo v enačbo (6) Dobimo ym = ysxmminus1 Ker iščemo točko B s
pozitivno ordinato lahko z y krajšamo in dobimo y0x0 =mminus1radics
Premica skozi O in B ima enačbo y = y0xx0 in preseka premico x = a
v točki C(aay0x0) oziroma C(aa mminus1radics) Zato je ∣DC∣ = ∣OD ∣ mminus1
radics) V
primeru m = 4 in s = 2 je ∣DC∣ = ∣OD ∣3radic
2) kar pomeni da se nam je pos-
rečilo podvojiti trirazsežno kocko Za s = 3 kocko potrojimo za s = 4
početverimo itd Še več zam = 6 in s = 2 podvojimo 5-razsežno hiperkocko
58
za s = 3 jo potrojimo za s = 4 početverimo itd
Slika 35 Krivulja H4 in pomnožitev roba trirazsežne kocke
Lihih m nam ni treba posebej obravnavati ker krivulje Hm ne bi bile
prave de Slusove perle Poleg tega bi tedaj bil mminus 1 sodo število denimo
m minus 1 = 2αq z naravnim α in lihim q Korenjenje se potem da izvesti z
α-kratnim kvadratnim korenjenjem in enim q-tim korenjenjem s krivuljo
Hq+1 kakor smo zgoraj opisali
Drug način za pomnožitev hiperkock poteka s cisoidami Cm krivuljHm
in premice x = a Pri parametru t premica y = tx preseka premico x = a
v točki C(aat) točka B pa ima tedaj koordinati dani z parametričnima
enačbama (7) S koordinatami točk B in C imamo takoj
ETHBC = (aminus
a1+ tm
at minusat
1+ tm) = (
atm
1+ tmatm+1
1+ tm)
59
Slika 36 Nekaj krivulj Cm
Da bo točka T na cisoidi Cm mora veljati zvezaETHOT =
ETHBC Potemtakem ima
Cm parametrični enačbi
x(t) =atm
1+ tm y(t) =
atm+1
1+ tm (8)
Ker je t = yx dobimo še implicitno enačbo krivulje Cm
xm+1 = ym(aminusx) (9)
oziroma x(xm+ym) = aym Krivulje so za sodem definirane nad intervalom
60
[0a) so simetrične glede na os x imajo za asimptoto premico x = a in
potekajo skozi koordinatno izhodišče O in točki Cplusmn(a2plusmna2) Asimptoti
se krivulja bliža ko ∣t∣ rarr infin V točki O pri t = 0 imajo ost z vodoravno
tangento Za m = 2 dobimo staro znanko Dioklovo cisoido
Slika 37 Krivulja C4 in pomnožitev roba 5-razsežne hiperkocke
Izberimo sedaj na ordinatni osi točko A(0as) pri čemer je s pozi-
tivno število in vzemimo premico skozi točki A in D (slika 37) Ta ima
enačbo xa + y(as) = 1 iz katere izrazimo a minus x = ys Premica preseka
cisoido Cm v točki M(x0y0) s pozitivno ordinato Iz enačb premice skozi
A in D in (9) dobimo y0x0 = m+1radics Premica skozi točki O in M ima
enačbo y = y0xx0 in preseka premico x = a v točki E(aa m+1radics) Torej velja
61
zveza ∣DE∣ = ∣OD ∣ m+1radics kar pomeni da smo našli rob (m + 1)-razsežne
hiperkocke ki ima za prostornino s-kratnik prostornine dane (m + 1)-
razsežne hiperkocke
Naj bo Sm ploščina lika ki ga omejuje krivulja Hm in Qm ploščina
neomejenega lika ki ga omejuje krivulja Cm z asimptoto Ni ju težko
izraziti
Pm =a2(mminus1)πm2 sin π
m Qm =
a2(m+1)πm2 sin π
m
Nadalje naj bo Vm prostornina telesa ki nastane z rotacijo krivulje Hm
okoli osi x Wm pa prostornina neomejenega telesa ki nastane z rotacijo
krivulje Cm okoli osi x Prav tako ju ni težko izraziti
Vm =2a3(mminus1)(mminus2)π2
3m3 sin 2πm
Wm =2a3(m+1)(m+2)π2
3m3 sin 2πm
Ploščine in prostornine so poleg drugega zanimale že matematike v
17 stoletju zlasti C Huygensa Izračunajmo prostornino telesa Um ki
nastane z rotacijo lika med cisoido in njeno asimptoto okoli te asimptote
(slika 38) Uporabili bomo sodobne zapise in Eulerjevi funkciji B in Γ ki
ju C Huygens še ni mogel poznati Presek nastalega telesa na višini y je
krog s polmerom aminusx in ploščino π(aminusx)2 Upoštevamo še simetrijo lika
glede na os x uporabimo parametrično obliko (8) in nastavimo integral
Um = 2πintinfin
0(aminusx(t))2y(t)dt = 2πa3
int
infin
0
tm(tm +m+1)(1+ tm)4 dt
ki ga lahko izrazimo v obliki
Um = 2πa3(I2 + (mminus1)I3 minusmI4)
pri čemer je
Ik = intinfin
0
dt
(1+ tm)k
62
ki ima za m ge 2 in k ge 1 končno vrednost S substitucijo u = 1(1 + tm)
dobimo
Ik =1m int
1
0ukminus1minus1m(1minusu)1mminus1du =
1m
B(kminus1m1m) =Γ(k minus1m)Γ(1m)
mΓ(k)
Na koncu je rezultat zelo preprost
Um =2π2a3(m2 minus1)
3m3 sin πm
Prve tri prostornine so
U2 =π2a3
4 U4 =
5radic
2π2a3
32 U6 =
35π2a3
162
Slika 38 Telo nastalo z zasukom lika med krivuljo C2 in njeno asimptoto
okoli te asimptote
Izračunajmo prostornino telesa Um ki nastane z rotacijo lika med cisoido
in njeno asimptoto okoli osi y (slika 39) Presek nastalega telesa na višini y
63
je krožni kolobar z notranjim polmerom x in zunanjim polmerom a ki ima
ploščino π(a2minusx2) Upoštevamo še simetrijo lika glede na os x uporabimo
parametrično obliko (8) in nastavimo integral
Um = 2πintinfin
0(a2 minusx2(t))y(t)dt = 2πa3
int
infin
0
tm(tm +m+1)(2tm +1)(1+ tm)4 dt
ki ga lahko izrazimo z zgoraj vpeljanimi integrali Ik v obliki
Um = 2πa3(2I1 + (2mminus3)I2 minus (3mminus1)I3 +mI4)
Na koncu dobimo za rezultat
Um =2π2a3(m+1)(2m+1)
3m3 sin πm
Prve tri prostornine so
U2 =5π2a3
4 U4 =
15radic
2π2a3
32 U6 =
91π2a3
162
V 17 stoletju so se zanimali tudi za težišča homogenih likov in teles
Lik ki ga omejuje krivulja Hm ima težišče na abscisni osi oddaljen za xT
od osi y Da bi lahko poiskali xT moramo najprej izračunati za ta lik
moment
Mm = 2inta
0xy dx = 2int
0
infinx(t)y(t)xdt = 2a3mint
infin
0
tm
(1+ tm)4 dt
Izrazimo z integrali Ik in dobimo
Mm = 2a3m(I3 minus I4) =πa3(mminus1)(2mminus1)
3m3 sin πm
Abscisa težišča lika je potem kvocient momenta Mm in ploščine Sm
xT =(2mminus1)a
3m
64
Slika 39 Telo nastalo z zasukom lika med krivuljo C2 in njeno asimptoto
okoli osi y
Lik omejen s krivuljo Cm ima težišče na abscisni osi oddaljen za xC
od osi y Da bi poiskali xC uporabimo kar PaposndashGuldinovo pravilo za
prostornino vrtenine
2πxC sdotQm = Um
kjer je Qm ploščina lika ki ga rotiramo okoli osi y Rezultat je proti vsem
pričakovanjem zelo preprost
xC =(2m+1)a
3m
Poznoantični matematik Papos iz Aleksandrije (290ndash350) v grščini Πάπ-
πος ὁ Αλεξανδρεύς v latinščini Pappus je pomemben ker je zbral prak-
tično vse dotakratno matematično znanje Grkov in dodal še marsikaj svo-
65
jega Njegovo najpomembnejše delo je rdquoZbirkardquo v grščini Συναγωγή Uk-
varjal se je tudi s klasičnimi grškimi geometrijskimi problemi
Jezuit Paul Guldin (1577ndash1643) je bil švicarski matematik in astronom
profesor matematike na Dunaju in v Gradcu Pred tem je študiral v Rimu
Skupaj s Paposom je znan
po pravilih za izračun prostornine rotacijskega telesa in površine rotacij-
ske ploskve
Slika 40 Telo nastalo z zasukom lika ki ga omejuje H4 okoli osi y
ProstorninaXm vrtenine ki nastane z rotacijo lika omejenega s krivuljo
Hm okoli osi y je po PaposndashGuldinovem pravilu za prostornino enaka
Xm = 2πxT sdot Pm = 2π(2mminus1)a
3msdota2(mminus1)πm2 sin π
m=
2π2a3(2mminus1)(mminus1)3m3 sin π
m
Slika 40 kaže vrtenino za primer krivulje H4 Podobne slike bi dobili tudi
za druge Hm
Če isti lik rotiramo okoli premice x = a tangente na krivuljo Hm v
točki D dobimo vrtenino s prostornino Ym ki jo izračunamo prav tako
66
po PaposndashGuldinovem pravilu za prostornino in dobimo
Ym = 2π(aminusxT ) sdot Pm = 2π(m+1)a
3msdota2(mminus1)πm2 sin π
m=
2π2a3(m2 minus1)3m3 sin π
m
Opazimo da je prostornina Ym enaka prostornini Um telesa ki nastane
z rotacijo lika med krivuljo Cm in njeno asimptoto okoli te asimptote
Dokler ni bil razvit infinitezimalni račun kakršnega poznamo danes
so računali ploščine težišča prostornine in površine za vsak primer pose-
bej Veliko so se v 17 stoletju pa tudi že prej znani matematiki ukvarjali
s cikloido na primer N Kuzanski M Mersenne G Galilei G P de Rober-
val C Wren G Cardano B Pascal I Newton G W Leibniz C Huygens
je neko njeno lastnost uporabil pri izdelavi ure na nihalo
Evdoksova kampila
Oglejmo si naslednjo konstrukcijo točk krivulje V točki D(a0) pri čemer
je a gt 0 postavimo pravokotnico p na abscisno os Na p izberemo točko
A ki jo bomo kasneje premikali po tej premici Skozi O in A načrtamo
premico q in skozi A krožnico s središčem v koordinatnem izhodišču O
Krožnica preseka abscisno os v točkah B in Bprime ki sta simetrični glede na
točko O V B in Bprime konstruiramo pravokotnici r in rprime na os x ki presekata
p v točkah T in T prime ki sta tudi simetrični glede na točko O Ko teče točka
A po premici p opišeta T in T prime dvodelno krivuljo ki so jo poimenovali
rdquoEvdoksova kampilardquo Točka T opiše njeno desno vejo T prime pa levo Krivulja
je očitno simetrična glede na obe koordinatni osi (slika 41)
Enačbo desne veje dobljene Evdoksove kampile je najlaže najprej izraz-
iti v polarnih koordinatah nato pa še v implicitni obliki v pravokotnih
67
Slika 41 Konstrukcija točk Evdoksove kampile
kartezičnih koordinatah Za polarni kot ϕ vzamemo naklonski kot pre-
mice q za polarni radij pa razdaljo ∣OT ∣ (slika 41) Najprej očitno veljata
zvezi ∣OA∣ = ∣OD ∣cosϕ = acosϕ in = ∣OT ∣ = ∣OB∣cosϕ = ∣OA∣cosϕ iz
katerih dobimo = acos2ϕ tako da je nazadnje pri pogoju minusπ2 ltϕ ltπ2
polarna enačba desne veje Evdoksove kampile
(ϕ) =a
cos2ϕ (10)
Obe veji krivulje imata implicitno obliko
a2(x2 +y2) = x4 (11)
ki jo dobimo iz polarne oblike z upoštevanjem zvez 2 = x2 + y2 in cosϕ =
x Krivulja v obliki (11) ima izolirano točko O(00) ki je posledica del-
jenja z ki je lahko tudi enak 0 Evdoksova kampila je algebrska krivulja
četrte stopnje
Z Evdoksovo kampilo se da podvojiti kocko Načrtamo krožnico s
središčem v točkiD in polmerom a Njena enačba je x2+y2 = 2ax Vstavimo
68
Slika 42 Podvojitev kocke z Evdoksovo kampilo
2ax namesto x2 + y2 v (11) in dobimo enačbo x4 minus2a3x = x(x3 minus2a3) = 0 ki
ima realni rešitvi x0 = 0 in x1 = a 3radic
2 V prvem kvadrantu se krožnica in
Evdoksova kampila sekata v točki T (a 3radic
2aradic
2 3radic
2minus 3radic
4) kar pomeni da
ima točka T absciso
∣T0T ∣ = b = a 3radic2
Kocka z robom b ima prostornino b3 = 2a3 torej dvakratnik prostornine
kocke z robom a
Grška beseda καμπύλος pomeni rdquokriv zavit upognjenrdquo v ženski ob-
liki καμπύλη beseda γραμμή pa rdquočrta potezardquo Polno ime krivulje je v
grščini καμπύλη γραμμή torej rdquokriva črtardquo na kratko so jo poimenovali kar
rdquokampilardquo kateri so dodali še Evdoksovo ime Evdoks iz Knida (408ndash355
pnš) Εὔδοξος ὁ Κνίδιος je bil starogrški matematik in astronom Bil je
Arhitov učenec v Tarentu grško Τάρας in Platonov na Akademiji v Ate-
nah Obiskal je tudi Sicilijo in Egipt Kasneje je ustanovil svojo šolo v
Kiziku grško Κύζικος ob Mramornem morju ali Propontidi grško Προ-
ποντίς Pomemben je njegov doprinos v teoriji razmerij in nesoizmerljivih
količin kar je uporabil Evklid Εὐκλείδης v svojih Elementih Στοιχεῖα
69
Grška beseda εὔδοξος pomeni med drugim rdquosloveč slaven ugledenrdquo
V astronomiji je Evdoks zagovarjal geocentrični svetovni sistem in za
pojasnitev gibanja planetov in Lune uvedel sistem koncentričnih sfer ki
se vrtijo ena v drugi S tem v zvezi je uvedel še eno krivuljo ki jo poznamo
pod imenom rdquoEvdoksova hipopedardquo
Problem podvojitve kocke je na svojevrsten način s torusom valjem
in stožcem rešil pitagorejec in vojaški poveljnik Arhitas iz Tarenta v južni
Italiji grško Αρχύτας ὁ Ταραντίνος rojen med letoma 435 in 410 umrl
pa med letoma 360 in 350 pnš Morda je Evdoks Arhitovo prostorsko
rešitev problema podvojitve kocke poenostavil na reševanje v ravnini in
tako prišel do svoje kampile Dokazano to ni nikjer ve se le da mu je
rešitev uspelo najti z neko krivuljo Način reševanja pa je podoben reše-
vanju z Uhlhornovo toksoido ki ima tudi podobno enačbo v polarni obliki
(ϕ) = acos3ϕ
Tako Uhlhornova toksoida kot Evdoksova kampila spadata v skupino
Clairautovih krivulj = acosnϕ ali = asinnϕ Če je n racionalno število
je Clairautova krivulja algebrska Alexis Claude Clairaut (1713ndash1765) je
bil francoski matematik in astronom
Evdoksovo kampilo brez izolirane toke O parametriziramo kar s po-
larnim kotom
x(ϕ) =a
cosϕ y(ϕ) =
asinϕcos2ϕ
Njena ukrivljenost κ(ϕ) se izraža v obliki
κ(ϕ) =cos3ϕ(3sin2ϕ minus1)
a(3sin2ϕ +1)32
Ukrivljenost spremeni predznak pri kotu ϕ za katerega je 3sin2ϕ minus1 = 0
V takih točkah ima krivulja prevoje Evdoksova kampila ima štiri in sicer
70
Slika 43 Desna veja Evdoksove kampile prevoja in pritisnjena krožnica
v točkah (plusmnaradic
62plusmnaradic
32) Strmini tangent v teh točkah sta plusmn2radic
2 Os x
presekata za desno vejo v točki G(3aradic
680) Krivinski polmer v točkah
D inDprime je enak a Središče pritisnjene krožnice v točkiD je v točki S(2a0)
Približno ujemanje krivulje tangent v prevojih Pplusmn in pritisnjene krožnice v
temenu D kaže slika 43 Ujemanje bi lahko izkoristili za približno podvo-
jitev kocke Če namesto Evdoksove kampile vzamemo kar njeno tangento
y = 2radic
2(xminusaradic
62)+aradic
32
v prevoju v prvem kvadrantu in poiščemo absciso ξ presečišča s krožnico
x2 +y2 = 2ax dobimo
ξa=
118
radic
24radic
6minus23+
radic6
3+
19≐ 1259956951
namesto točnejše vrednosti
3radic
2a
≐ 1259921049
71
Če bi podoben račun naredili za Uhlhornovo toksoido ki se v prevojih
tudi približno ujema s tangentama bi dobili slabši rezultat
Zgoraj opisani približek lahko izkoristimo za precej natančno evklid-
sko konstrukcijo roba b podvojene kocke z robom a V koordinatnem sis-
temu Oxy narišemo krožnico s polmerom a s središčem v točki D(a0)
skozi O pa konstruiramo premico p z naklonskim koeficientom k = 2radic
2
Na abscisni osi konstruiramo točkoG(3aradic
680) in skoznjo premico q vz-
poredno s p Presečišče te premice s krožnico je točka T njena pravokotna
projekcija na os y pa točka T0 Razdalja b = ∣T0T ∣ je dober približek za
a 3radic
2 (slika 44) Pri tem izkoristimo izraza za diagonalo kvadrata in višino
enakostraničnega trikotnika v katerih nastopataradic
2 inradic
3 s kombinacijo
obeh pa šeradic
6 Podrobnosti so izpuščene z malo truda lahko konstrukcije
izvede vsak sam
Slika 44 Približna podvojitev kocke
Zrcalno sliko Evdoksove kampile (11) na krožnici x2 + y2 = a2 takoj
dobimo iz polarne oblike njene desne veje lowast(ϕ) = acos2ϕ Z zapisom v
pravokotnih kartezičnih koordinatah dobimo implicitno obliko za celotno
prezrcaljeno krivuljo
(x2 +y2)3 = a2x4
72
Krivulja je algebrska šeste stopnje Simetrična je glede na obe koordinatni
osi Njeni največji odkloni od osi x so pri polarnih kotih ϕ za katere je
3sin2ϕ = 1 to je v točkah (plusmn2aradic
69plusmn2aradic
39) kjer ima krivulja vodo-
ravni dvojni tangenti
Slika 45 Zrcaljenje Evdoksove kampile na krožnici
Nova krivulja spada med Clairautove Ploščina P obeh delov jajčastih
oblik je
P = 4 sdota2
2 intπ2
0cos4ϕdϕ = 2a2 sdot
34
sdotπ2=
3πa2
8
Problem podvojitve kocke grško διπλασιασμός τοῦ κύβου ali deloški
problem poimenovan po grškem otoku Delosu v Egejskem morju je reše-
valo več grških geometrov ki so celo skušali izdelati v ta namen posebno
orodje Platon je pograjal Evdoksove Arhitove in Menajhmove učence
češ da njihovi napori kvarijo kar je dobrega v geometriji Nastal je celo
epigram (puščica zbadljivka) v zvezi s podvojitvijo kocke ki je zapisan v
Evtokijevih komentarjih k Arhimedovi razpravi rdquoO krogli in valjurdquo grško
Περὶ σφαίρας καὶ κυλίνδρου Matematik in neoplatonist Evtokij iz Aškalona
v Palestini Εὐτόκιος ὁ Ασκαλονίτης je bil poznoantični matematik rojen
73
okoli leta 480 umrl pa je okoli leta 520 O njem se ve bore malo Nekaj
časa je deloval v Atenah nazadnje pa v Aleksandriji Napisal je tudi ko-
mentarje k Apolonijevi razpravi rdquoStožnicerdquo v grščini Κωνικά Na stožnice
se je v srednjem kar nekoliko pozabilo zanimanje zanje je spet oživelo
šele v času Keplerja in Newtona ko je bil potreben opis gibanja planetov
v heliocentričnem svetovnem sistemu
Navedimo omenjeni epigram v grščini in v prevodu S Weiss (vzeto iz
obsežnega knjižnega dela v treh delih [3])
Μηδὲ σύ γrsquo Αρχύτεω δυσμήχανα ἔργα κυλίνδρων
μηδὲ Μεναιχμείους κωνοτομεῖν τριάδας
διζήσηι μηδrsquo εἴ τι θεουδέος Εὐδόξοιο
καμπύλον ἐν γραμμαῖς εἶδος ἀναγράφεται
Težkih Arhitovih del s cilindri nikar ne posnemaj
stožnic Menajhmovih treh nikdar izsekal ne boš
niti ne boš spoznal če božanskega črte Evdoksa
res zarišejo lik tak iz zavitih kampil
Videli smo kaj vse se da povedati o neki krivulji če obvladamo in-
finitezimalni račun Seveda nam je to sedaj ko imamo na voljo najnovejše
pripomočke in obsežno ter dostopno matematično literaturo veliko laže
kot je bilo matematikom v 17 stoletju ko so v marsičem še orali ledino
Pomembni znanstveniki rojeni v 17 stoletju
Navedimo nekaj pomembnih znanstvenikov predvsem matematikov fizi-
kov in astronomov ki so se rodili v 17 stoletju Razvrščeni so po letnicah
74
rojstva Veliko podatkov dobimo v [1 5] in na svetovnem spletu
Gilles Personne de Roberval (1602ndash1675)
Pierre de Fermat (1607ndash1665)
Giovanni Alfonso Borelli (1608ndash1679)
Evangelista Torricelli (1608ndash1647)
John Pell (1610ndash1685)
Johann Hevel (1611ndash1687)
Frans van Schooten (1615ndash1660)
Carlo Renaldini (1615ndash1698)
John Wallis (1616ndash1703)
Henry Oldenburg (1618ndash1677)
Michelangelo Ricci (1619ndash1682)
William Brouncker (1620ndash1684)
Edmeacute Mariotte (1620ndash1684)
Jean Picard (1620ndash1682)
Vincenzo Viviani (1622ndash1703)
Reneacute-Franccedilois de Sluse (1622-1685)
Blaise Pascal (1623ndash1662)
Giovanni Domenico Cassini (1625ndash1712)
Robert Boyle (1627ndash1691)
Christiaan Huygens (1629ndash1695)
Isaac Barrow (1630ndash1677)
Ehrenfried Walther von Tschirnhaus (1631ndash1708)
Christopher Wren (1632ndash1723)
Johann Hudde (1633ndash1704)
Robert Hooke (1635ndash1703)
75
William Neile (1637ndash1670)
James Gregory (1638ndash1675)
Philippe de la Hire (1640ndash1719)
Isaac Newton (1643ndash1727)
Olaus Roslashmer (1644ndash1710)
Gottfried Wilhelm Leibniz (1646ndash1716)
Denis Papin (1647ndash1712)
Michel Rolle (1652ndash1719)
Pierre Varignon (1654ndash1722)
Jacob Bernoulli (1655ndash1705)
Edmund Halley (1656ndash1742)
Guillaume Franccedilois Antoine LrsquoHocircpital (1661ndash1704)
David Gregory (1661ndash1708)
Abraham de Moivre (1667ndash1754)
Johann Bernoulli (1667ndash1748)
Jacopo Francesco Riccati (1676ndash1754)
Giulio Carlo Fagnano (1682ndash1766)
Roger Cotes (1682ndash1716)
Reneacute Antoine Reacuteaumur (1683ndash1757)
Greacutegoire de Saint-Vincent (1584ndash1667)
Brook Taylor (1685ndash1731)
Gabriel Daniel Fahrenheit (1686ndash1736)
Colin Maclaurin (1698ndash1746)
Pierre Louis Moreau de Mapertuis (1698ndash1759)
76
Viri
[1] I Asimov Biografska enciklopedija znanosti in tehnike Tehniška za-
ložba Slovenije Ljubljana 1978
[2] J Bair V Henry Sluse ses perles et son algorithme Losanges 14
(2011) str 14ndash18 httphdlhandlenet2268100155 (videno 10
7 2021)
[3] G Kocijančič (urednik) Fragmenti predsokratikov Študentska za-
ložba Ljubljana 2012
[4] G Loria Spezielle algebraische und transscendente ebene Kurven
Teubner Leipzig 1902
[5] U C Merzbach C B Boyer A History of Mathematics John Wiley amp
Sons Hoboken New Jersey 2011
[6] J J OrsquoConnor E F Robertson Reneacute Franccedilois Walter de Sluze MacTu-
tor
httpsmathshistoryst-andrewsacukBiographiesSluze
(videno 10 7 2021)
[7] B von Pape Von Eudoxus zu Uhlhorn Books on Demand Norderstedt
2019
[8] M Razpet Pomnožitev hiperkocke Obzornik mat fiz 68 (2021) št 1
str 1-9
[9] M Razpet in N Razpet Prepogibanje papirja podvojitev kocke in
Slusova konhoida Obzornik mat fiz 67 (2020) št 2 str 41-51
77
[10] Y Renotte Reneacute de Sluze dialogues avec Christiaan Huygens
Bulletin de lrsquouniversiteacute du 3e acircge - Liegravege 23 (2021) 4 strani
httphdlhandlenet22682596400 (videno 10 7 2021)
[11] R F Slusius Mesolabum seu duaelig mediaelig proportionales inter ex-
tremas datas per circulum et ellipsim vel hyperbolam infinitis modis
exhibitaelig Leodii Eburonum Liegravege 1659
[12] R F Slusius Mesolabum seu duaelig mediaelig proportionales inter ex-
tremas datas per circulum et per infinitas hyperbolas vel ellipses et
per quamlibet exhibitaelig ac problematum omnium solidorum effectio
per easdem curvas Leodii Eburonum Liegravege 1668
[13] D Uhlhorn Entdeckungen in der houmlhern Geometrie theoretisch und
practisch abgehandelt Schulzersquosche Buchhandlung Oldenburg 1809
[14] I Vidav Algebra Mladinska knjiga Ljubljana 1972
Avtor se zahvaljuje prof dr Milanu Hladniku za strokovni pregled
copy(2021) Marko Razpet
78
Slika 10 Primeri de Slusovih perl
funkcijama B in Γ
S = 2k1ma(m+n+p)mB(nm+1pm+1) =
= 2k1ma(m+n+p)mΓ(nm+1)Γ(pm+1)
Γ((n+p)m+2)=
= 2k1ma(m+n+p)mnp
(m+n+p)(n+p)
Γ(nm)Γ(pm)
Γ((n+p)m)
Pri rotaciji okoli osi x ta lik v prostoru opiše telo s prostornino
V =πk2mint
a
0x2nm(aminusx)2pmdx =πk2ma(m+2n+2p)m
int
1
0t2nm(1minust)2pmdt
23
Slika 11 Zasuk de Slusove perle za m = 2n = 3p = 1k = 001 okoli osi x
Integracijsko spremenljivko x smo tudi to pot zamenjali z novo spremenljivko
t prek relacije x = at da smo dobili obliko ki jo lahko izrazimo z Eulerje-
vima funkcijama B in Γ
V =πk2ma(m+2n+2p)mB(2nm+12pm+1) =
=πk2ma(m+2n+2p)mΓ(2nm+1)Γ(2pm+1)Γ((2n+2p)m+2)
=
= 2πk2ma(m+2n+2p)m np
(m+2n+2p)(n+p)Γ(2nm)Γ(2pm)
Γ((2n+2p)m)
Poseben primer de Slusove perle
Natančneje bomo obravnavali de Slusovo perlo samo primer za m = n = 2
p = 1 in k = 1a to se pravi krivuljo K ki ima implicitno enačbo ay2 =
x2(a minus x) To pa zato ker se posamezne točke te krivulje da preprosto
konstruirati z osnovnim geometrijskim orodjem
24
Geometrijska konstrukcija in analitična obravnava
Do posameznih točk T krivulje K pridemo s preprosto geometrijsko kon-
strukcijo (slika 12) V pravokotnem kartezičnem koordinatnem sistemu
Oxy načrtamo premico x = a kjer je a pozitivna konstanta Skozi koordi-
natno izhodišče O potegnemo premico p ki ima enačbo y = tx in preseka
premico x = a v točki A(ata) Parameter t smerni koeficient premice p s
katerim je sorazmerna ordinata točkeA bomo kasneje spreminjali V točki
A na p postavimo pravokotnico q ki seka os x v točki B V B načrtamo na
q pravokotnico r ki seka premico x = a v točki C nazadnje pa skozi C še
pravokotnico s na r Presečišče premic p in s naj bo točka T (xy) Sedaj
bomo izrazili njeni koordinati x in y s parametrom t
Slika 12 Konstrukcija točke T de Slusove perle K
Premica q ima enačbo y = minus(x minus a)t + at in preseka os x v točki B(a +
at20) Premica r ima enačbo y = t(x minus aminus at2) in preseka premico x = a v
točki C(aminusat3) premica s pa enačbo y = minus(xminus a)t minus at3 Koordinati točke
T sta rešitvi sistema enačb
y = tx y = minusxminusat
minusat3
25
Po krajšem računu dobimo
x(t) = a(1minus t2) y(t) = at(1minus t2) (3)
To sta parametrični enačbi krivulje K Ko spreminjamo t po vseh realnih
vrednostih oziroma ko A drsi po premici x = a točka T (xy) opiše krivuljo
K (slika 13) z zanko ki spominja na perlo
Če si mislimo da je parameter t čas enačbi (3) predstavljata sestav-
ljeno gibanje točkaste mase v dveh med seboj pravokotnih smereh v koor-
dinatni ravnini v smeri osi x po pravilu prve enačbe v smeri osi y pa po
pravilu druge enačbe Tirnica takega gibanja je krivulja K Podoben le da
bolj preprost primer imamo tudi pri gibanju točkaste mase pri poševnem
metu
Slika 13 De Slusova perla K
Ko se t spreminja od zelo velikih negativnih vrednosti potuje T po
loku v drugem kvadrantu navzdol in doseže za t = minus1 prvič točko O Za
minus1 le t le 0 opiše lok v četrtem kvadrantu odO do temenaD(a0) za 0 le t le 1
opiše lok v prvem kvadrantu od D do točke O ki jo doseže drugič za t = 1
za t gt 1 pa se spusti po loku v tretjem kvadrantu navzdol
26
Če upoštevamo (3) dobimo
x2(t)(aminusx(t)) = a2(1minus t2)2 sdotat2 = a(at(1minus t2))2 = ay2(t)
To pomeni da je ay2 = x2(aminusx) implicitna enačba krivulje K in da je K al-
gebrska krivulja tretje stopnje Krivulja K je simetrična glede na os x Za
točke ki so zelo blizu koordinatnemu izhodiščuO je člen x3 zanemarljivo
majhen v primerjavi s kvadratnima členoma zato je tam enačba krivulje
K približno ay2 = ax2 oziroma (y minusx)(y +x) = 0 Ta enačba razpade na dve
y = x in y = minusx V točki O ima krivulja tangenti y = x in y = minusx ki se sekata
pravokotno V točki D je tangenta na krivuljo premica x = a Krivulja ima
na zanki dve glede na os x simetrično ležeči lokalno ekstremni točki v ka-
terih je tangenta vzporedna z osjo x To sta točki Mplusmn(2a3plusmn2aradic
39) De
Sluse jih je na svojevrsten način pravilno izračunal čeprav je bilo v nje-
govem času računanje z odvodi še v zametkih Da bi pravilnost ekstrem-
nih točk preverili brez odvoda uporabimo kvadrat ekstremne ordinate ki
je y2M = 4a227 in zapišimo izraz
ay2M minusx2(aminusx) = 4a327minusax2 +x3 = (xminus2a3)2(x+a3)
ki je za 0 lt x lt a nenegativen in enak 0 za x = 2a3 To pomeni da je
tedaj x2(a minus x) le 4a327 in največja ordinata na zanki krivulje je 2aradic
39
najmanjša pa minus2aradic
39 oboje pri x = 2a3 (slika 14)
Z uporabo odvoda gre vse veliko hitreje Ordinata y doseže ekstrem
takrat kot ay2 Zato je vseeno če poiščemo ekstrem enostavnejše funkcije
g(x) = x2(a minus x) = ax2 minus x3 Potreben pogoj za to je g prime(x) = 2ax minus 3x2 = 0
Dobimo stacionarni točki x1 = 0 in x2 = 2a3 Uporabimo še g primeprime(x) = 2aminus6x
Ker je g primeprime(x1) = 2a gt 0 in g primeprime(x2) = minus2a lt 0 ima funkcija g v točki x1 lokalni
minimum ki je enak 0 v točki x2 pa lokalni maksimum ki je enak 4a327
27
Slika 14 Lokalna ekstrema na de Slusovi perli K
Ekstremna točka na zanki kjer je tangenta vzporedna z osjo x je očitno
le v x2 kvadrat ekstremne ordinate je tedaj g(x2)a = 4a227 = 12a281
Ekstremni ordinati sta torej plusmn2aradic
39 pri abscisi 2a3
Abscise 2a3 ni težko geometrijsko konstruirati prav tako tudi ne or-
dinate 2aradic
39 ki je 29 razdalje ∣PminusP+∣ = aradic
3 kjer sta Pminus in P+ presečišči
krožnih lokov s središčema v točkahO inD in polmerom ∣OD ∣ To pomeni
da sta točki Pminus in P+ konstruktibilni
Če bi načrtali celotna krajša krožna loka med Pminus in P+ bi dobili med
njima lečast lik ki so mu nekoč rekli rdquovesica piscisrdquo kar dobesedno pomeni
rdquoribji mehurrdquo Lik je bil zelo znan v srednjeveški sakralni umetnosti
Čeprav v de Slusovem času še niso poznali odvoda funkcije v današn-
jem smislu so že vedeli zahvaljujoč Fermatu da ima funkcija v točki
lokalnega ekstrema vodoravno tangento
28
Spremljajoča parabola
Nastajanje krivulje K spremljajo še nekatere druge bolj ali manj znane
krivulje Najprej si oglejmo kaj dobimo če točko O pravokotno projici-
ramo na premice r in spreminjamo parameter t Dobljena projekcija naj
bo R (slika 15)
V prispevku se pogosto sklicujemo na povezavo med smernima koe-
ficientoma premice in pravokotnice nanjo Koeficienta sta si inverzna in
nasprotna Zato zlahka napišemo enačbo premice r in pravokotnice skozi
O nanjo
y = t(xminusaminusat2) y = minusxt
Njuno presečišče R ima koordinati
x(t) = at2 y(t) = minusat
Z izločitvijo parametra t dobimo y2 = ax kar pomeni da točke R pri spre-
minjanju točkeA po premici x = a opišejo parabolo rdquospremljajočo parabolordquo
ki ima gorišče v točki F(a40) in vodnico v z enačbo x = minusa4
Slika 15 De Slusova perla K in spremljajoča parabola
29
Ogrinjače
Ko drsi točka A po premici x = a premice s ogrinjajo neko krivuljo Ks
Premice s so v točki T krivulje K pravokotne na premice skozi O in T
Njeno enačbo dobimo po standardnem postopku Enačba premic s je
F(xyt) = y +xminusat
+at3 = 0
To je enoparametrična družina premic ki ogrinjajo krivuljo Ks imeno-
vano rdquoogrinjačardquo te družine (slika 16) V vsaki točki ogrinjače se jo dotika
ena premica v različnih točkah različne premice družine Enačbo njihove
ogrinjače v implicitni obliki dobimo tako da iz sistema enačb
Slika 16 De Slusova perla K in ogrinjače Ks Kq Kr
F(xyt) = 0partFpartt
(xyt) = 0
izločimo parameter t Iz enačbe
partFpartt
(xyt) = minus(xminusa)t2 +3at2 = 0
30
dobimo najprej xminusa = 3at4 kar vstavimo v prvo enačbo v sistemu in imamo
y = minus4at3 Dobili smo ogrinjačo v parametrični obliki
x(t) = a(1+3t4) y(t) = minus4at3
Izločimo t in enačba iskane ogrinjače Ks v implicitni obliki je pred nami
27y4 = 256a(xminusa)3
Ker je y dobljene krivulje sorazmeren s potenco (x minus a)34 lahko rečemo
da je ogrinjača premic s četrtkubična parabola
Podobno poiščemo ogrinjačo Kq premic q
F(xyt) = yt +xminusaminusat2 = 0partFpartt
(xyt) = y minus2at = 0
Ogrinjača v parametrični obliki je to pot
x(t) = a(1minus t2) y(t) = 2at
Z izločitvijo parametra t dobimo njeno enačbo v implicitni obliki
y2 = minus4a(xminusa)
Dobljena krivulja Kq je parabola z vodnico x = 2a in goriščem v točki O
(slika 16)
Nazadnje po enakem postopku kot doslej poiščemo še ogrinjačo Kr
premic r
F(xyt) = y minus tx+at +at3 = 0partFpartt
(xyt) = minusx+a+3at2 = 0
Ogrinjača v parametrični obliki je potem
x(t) = a(1+3t2) y(t) = 2at3
31
Z izločitvijo parametra t dobimo njeno enačbo še v implicitni obliki
27ay2 = 4(xminusa)3
Dobljena krivulja Kr je polkubična ali Neilova parabola z ostjo v točki
D(a0) kjer ima vodoravno tangento (slika 16) Krivuljo Ks smo up-
ravičeno imenovali četrtkubična parabola Slednja ima v točki D(a0)
navpično tangento
Edinole premice p od tistih ki sodelujejo v konstrukciji točk krivulje
K nimajo ogrinjače Vse premice p namreč potekajo skozi koordinatno
izhodišče O in očitno ne ogrinjajo nobene krivulje
Nožiščne krivulje
Novo krivuljoHprime dobimo če na tangente dane krivuljeH pravokotno pro-
jiciramo izbrano točko Φ Vse projekcije P nožišča točke Φ na tangentah
krivuljeH sestavljajo krivuljoHprime ki jo imenujemo rdquonožiščnardquo ali rdquopedalna
krivuljardquo krivulje H glede na točko Φ
Beseda rdquopedalenrdquo izhaja iz latinske rdquopedalisrdquo kar pomeni rdquonoženrdquo Os-
novna beseda je rdquopesrdquo v rodilniku ednine rdquopedisrdquo kar pomeni rdquonogardquo Od
tod izvirajo tudi besede rdquopedalordquo rdquopedalarrdquo in rdquopedalinrdquo
Poiščimo nekaj nožiščnih krivulj glede na koordinatno izhodišče O
Najprej za krivuljo K ki je poseben primer de Slusove perle Za odvod
v točki T isinK ki ustreza parametru t dobimo
dy
dx(x) =
y
x(t) =
3t2 minus12t
Enačbi tangente v T in pravokotnice skozi O nanjo pa se glasita
y minusat(1minus t2) =3t2 minus1
2t(xminusa(1minus t2)) y =
2t1minus3t2
x
32
Sekata se v točki P s koordinatama
x(t) =a(t2 minus1)2(1minus3t2)
9t4 minus2t2 +1 y(t) =
2at(t2 minus1)2
9t4 minus2t2 +1 (4)
S tem smo našli parametrični enačbi krivulje Kprime (slika 17) Do implicitne
enačbe je dolga pot prek rezultante dveh polinomov spremenljivke t od
katerih je prvi druge drugi pa pete stopnje Najprej opazimo da je v (4)
yx = 2t(1minus 3t2) kar lahko zapišemo kot p(t) = 3yt2 + 2xt minus y = 0 drugo
enačbo pa zapišemo v obliki q(t) = 2at5 minus 9yt4 minus 4at3 + 2yt2 + 2at minus y = 0
Zaradi enostavnosti smo pisali x in y brez argumenta t Da izločimo pa-
rameter t je treba zapisati rdquorezultantordquo R(p(t)q(t)) polinomov p(t) in
q(t) in jo izenačiti z 0 (glej [14])
R(p(t)q(t)) =
RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR
2a minus9y minus4a 2y 2a minusy 0
0 2a minus9y minus4a 2y 2a minusy
3y 2x minusy 0 0 0 0
0 3y 2x minusy 0 0 0
0 0 3y 2x minusy 0 0
0 0 0 3y 2x minusy 0
0 0 0 0 3y 2x minusy
RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR
= 0
Zadnji stolpec je deljiv z y Ker y = 0 ni del iskane nožiščne krivulje pre-
ostane ko izračunamo determinanto in jo okrajšamo z y in preuredimo
27y2(x2 +y2)2 +4ax(x2 minus9y2)(x2 +y2)minus4a2(x2 minusy2)2 = 0
Rezultat je torej algebrska krivulja šeste stopnje Krivulja je simetrična
glede na abscisno os točka O pa je njena posebna točka Za zelo majhne
x in y prevlada zadnji člen kar pomeni da sta premici y = x in y = minusx v O
tangenti na krivuljo
33
Slika 17 Nožiščna krivulja Kprime krivulje K glede na koordinatno izhodišče
Zanka krivulje Kprime nekoliko spominja na srčnico ali kardioido ki jo
opisujejo točke krožnice ki se brez drsenja kotali po enako veliki krožnici
Krivulja Kprime ima še neomejeni del ki se razteza po drugem in tretjem kvad-
rantu Poglejmo kako potuje točka po krivulji v parametrizaciji (4) ko
parameter t teče po številski premici Za t lt minus1 poteka krivulja po tretjem
kvadrantu pri čemer x(t)rarr minusinfin in y(t)rarr minusinfin ko t rarr minusinfin Pri t = minus1 točka
doseže O v obliki osti ki ima za tangento premico y = x Za minus1 lt t lt 0
potuje točka po četrtem kvadrantu doseže točko D pri t = 0 za 0 lt t lt 1
potuje naprej po prvem kvadrantu in pri t = 1 spet doseže O kjer ima
ost s tangento y = minusx nato nadaljuje pot po drugem kvadrantu pri čemer
x(t)rarr minusinfin in y(t)rarrinfin ko trarrinfin
Nožiščna krivulja malo prej obravnavane krivulje Ks glede na točko O
ni nič drugega kot krivulja K Premice s so namreč tangente na Ks nožišča
točke O na njej pa so točke krivulje K Lahko pa to preverimo z računom
34
tako kot smo poiskali nožiščno krivuljo Kprime za K glede na točko O
Za odvod v poljubni točki na Ks ki ustreza parametru t dobimo
dy
dx(x) =
y
x(t) = minus
1t
Enačbi tangente v tej točki in pravokotnice skozi O nanjo pa se glasita
y +4at3 = minus1t(xminusa(1+3t4)) y = tx
Sekata se v točki s koordinatama
x(t) = a(1minus t2) y(t) = at(1minus t2)
To sta ravno parametrični enačbi krivulje K tako da velja Kprimes =K
Podobno ugotovimo tudi da je premica x = a nožiščna krivulja za para-
bolo Kq Premica x = a je tangenta te parabole v temenu V splošnem je
temenska tangenta parabole kar njena nožiščna krivulja glede na gorišče
Ugotovili smo torej da je nožiščna krivulja krivulje Kr spremljajoča para-
bola krivulje K
Ekstremne točke nožiščne krivulje Kprime
Ekstremne točke na zanki krivulje Kprime dobimo iz odvodov
x(t) =2at(1minus t2)(3t2 +1)(9t4 +2t2 minus3)
(9t4 minus2t2 +1)2
y(t) =2a(t2 minus1)(3t2 +1)(3t4 +6t2 minus1)
(9t4 minus2t2 +1)2
Za t = 0 doseže v točki D(a0) abscisa svojo največjo vrednost Za t = plusmn1
poteka krivulja skozi točko O kjer sama sebe preseka pod pravim kotom
ker je yprime(0) = (yx)(plusmn1) = ∓1
35
Najmanjšo absciso na zanki ima krivulja Kprime v točki ki jo določa para-
meter t za katerega velja pogoj 9t4 +2t2 minus3 = 0 To je bikvadratna enačba
katere realni rešitvi sta tplusmn = plusmnradic
2radic
7minus13 ustrezni točki na krivulji pa
izračunamo z enačbama (4) in dobimo
Xplusmn(a(17minus7radic
7)27plusmnaradic
74radic
7minus17227)
Ekstremni ordinati na zanki ima krivulja takrat za tisto vrednost para-
metra t za katerega velja pogoj 3t4 + 6t2 minus 1 = 0 Realni rešitvi te bi-
kvadratne enačbe sta tplusmn = plusmn(3radic
2minusradic
6) 4radic
36 ustrezni točki na krivulji pa
Yplusmn(a(3minusradic
3)3plusmna 4radic123)
Ker v koordinatah ekstremnih točk nastopajo poleg osnovnih aritmetičnih
operacij le kvadratni in bikvadratni (četrti) koreni so te točke konstruk-
tibilne
Cisoida
Spoznali smo enega od načinov pridobivanja novih ravninskih krivulj iz
danih to je z nožišči izbrane točke na tangentah dane krivulje Krivulji
s tem priredimo nožiščno krivuljo glede na izbrano točko Drug tak pre-
prost način kako iz znanih krivulj dobimo nove je cisoidni način Kako
pa ta poteka
Denimo da sta znani krivulji K1 in K2 ter točka O ki ležijo v isti
ravnini Pri tem sta K1 in K2 taki krivulji da vsaka premica p skozi O
ki seka K1 v neki točki T1 seka tudi K2 recimo v točki T2 (slika 18) Za
vsak T1 označimo na p točko T tako da veljaETHOT =
ETHETHT1T2 Ko T1 potuje po
K1 T opiše krivuljo C ki jo imenujemo cisoida krivulj K1 in K2 glede na
točko O Definicije take cisoide se nekoliko razlikujejo od vira do vira
36
Slika 18 Krivulja C je cisoida krivulj K1 in K2 glede na točko O
Dioklova cisoida s katero rešimo problem podvojitve kocke je cisoida
krožnice x2 + y2 = ax in premice x = a glede na koordinatno izhodišče O
Več o cisoidah in njihovi uporabi je napisanega na primer v [8]
Krivulja K je povezana tudi s polkubično ali semikubno ali Neilovo
parabolo poimenovano po Williamu Neilu (1637ndash1680) Parametrični
enačbi (3) lahko zapišemo v vektorski obliki v standardni bazi kot razliko
kolinearnih vektorjev
r(t) = (x(t)y(t)) =ETHOT = (a(1minus t2)at(1minus t2)) = (aat)minus (at2at3)
Vektor r1(t) = (aat) = (a0)+at(01) je enačba premice x = a v parametrični
obliki vektor r2(t) = (at2at3) pa polkubične parabole ki ima enačbo ay2 =
x3 in ost v točkiO Parameter t geometrijsko pomeni tangens naklonskega
kota premice OA (slika 13)
Premica y = tx poteka skozi koordinatno izhodišče O in seka premico
x = a v točkiA(aat) zato jeETHOA = r1 Ista premica seka polkubično parabolo
P ki ima enačbo ay2 = x3 v točki P (at2at3) tako da jeETHOP = r2 S tem je
ETHPA =
ETHOAminus
ETHOP = r1minus r2 = r To pomeni da je r =
ETHOT =
ETHOAminus
ETHOP Potemtakem
je krivulja K cisoida polkubične parabole P z enačbo ay2 = x3 in premice
37
Slika 19 De Slusova perla K kot cisoidna krivulja
x = a glede na točko O (slika 19)
Neilova parabola in ločna dolžina
Neilova ali polkubična parabola ay2 = x3 je bila v zgodovini matematike
pomembna kot ena prvih krivulj za katero so znali izračunati ločno dolžino
Prav prvi je to znal John Wallis (1616ndash1703) leta 1657
Denimo da nas zanima ločna dolžina `(b) te krivulje nad intervalom
[0b] (slika 20) Znano je da lahko uporabimo formulo za ločno dolžino
krivulje ki je dana v eksplicitni obliki
`(b) = intb
0
radic
1+yprime2dx
Pri tem je y = f (x) enačba krivulje in yprime = f prime(x) V našem primeru je y =
38
Slika 20 Neilova ali polkubična parabola
f (x) = plusmnradicx3a Kratek račun nam da yprime2 = 9x(4a) in
`(b) = intb
0
radic
1+9x4adx
Z uvedbo nove integracijske spremenljivke u z relacijo u2 = 1 + 9x(4a)
dobimo
`(b) =8a9 int
c
1u2du =
8a27
(c3 minus1)
pri čemer je c =radic
1+9b(4a)
Leibnizeva izohrona je krivulja po kateri se je leta 1687 vprašal G W
Leibniz Poiskati je treba v navpični ravnini krivuljo po kateri se brez
trenja giblje točkasta masa ki je podvržena konstantnemu težnostnemu
polju tako da je navpična komponenta njene hitrosti ves čas konstantna
Nalogo je prvi rešil C Huygens nizozemski astronom fizik in matema-
tik znan tudi po odkritju Saturnovega satelita Titana in znamenitih Sat-
urnovih obročev ter po izdelavi prve ure na nihalo kar je bilo za tiste čase
velik napredek v merjenju točnega časa
39
Slika 21 Leibnizeva izohrona
Izhodišče O postavimo v najvišjo točko krivulje (slika 21) V tej točki
je horizontalna hitrost premikajoče se mase m enaka 0 Naj bo v0 njegova
navpična hitrost navzdol Os y je vodoravna os x pa usmerjena navz-
dol Potencialno energijo mase računamo nad izbranim nivojem spodaj V
skladu z načelom ohranitve mehanske energije v času t in času 0 potem
velja12mv2(t)+mg(hminusx(t)) =
12mv2
0 +mgh
Pri tem je g težni pospešek Po poenostavitvi dobimo v2(t) = 2gx(t)+ v20
Vektor hitrosti ima v vsakem trenutku med seboj pravokotni komponenti
v(t) = (x(t) y(t)) za t = 0 pa v(0) = (v00) Upoštevamo da je ∣v(t)∣2 =
v2(t) = x2(t) + y2(t) in da je x(t) = v0 pa imamo sistem diferencialnih
enačb
x(t) = v0 y(t) =radic
2gx(t)
ki ga rešimo pri začetnih pogojih x(0) = y(0) = 0 in dobimo
x(t) = v0t y(t) =23
radic2gv0t3
40
Koordinati točk na dobljeni krivulji zadoščajo enačbi
ay2 = x3 a =9v2
0
8g
Pri dani konstanti a je v0 = (23)radic
2ag Iskana krivulja je torej Neilova
parabola Ime izohrona je dobila zato ker točkasta masa po vertikali
v enakih časih prepotuje enake razdalje V grščini beseda ἴσος pomeni
rdquoenakrdquo χρόνος pa rdquočasrdquo
Dolžina ` zanke krivulje K nas pripelje do zapletenega eliptičnega in-
tegrala za katerega zapišimo približno vrednost
` = 2aint1
0
radic9t4 minus2t2 +1dt ≐ 271559186a
Pač pa je dolžina loka ` četrtkubične parabole Ks ogrinjače premic s bolj
prijazna Za dolžino loka od točke D ki ustreza parametru t = 0 do točke
ki ustreza parametru t = α dobimo
` = 12aintα
0t2
radic1+ t2dt =
3a2
(α(1+2α2)radic
1+α2 minus ln(α +radic
1+α2))
Prav tako dolžina loka ` navadne parabole Kq ogrinjače premic q ne
dela težav Za dolžino loka od točke D ki ustreza parametru t = 0 do
točke ki ustreza parametru t = α dobimo
` = 2aintα
0
radic1+ t2dt = a(α
radic1+α2 + ln(α +
radic1+α2))
Za spremljajočo parabolo dobimo prav tako enostaven rezultat za ločno
dolžino od točke O do točke ki ustreza parametru t = α
` = intα
0
radic1+4t2dt =
a4(2α
radic1+4α2 + ln(2α +
radic1+4α2))
Nazadnje zapišimo še ločno dolžino polkubične parabole Kr
` = 6aintα
0tradic
1+ t2dt = 2a((1+α2)radic
1+α2 minus1)
41
Pri vseh zgornjih primerih je parameter t strmina premice p v prvotni
konstrukciji krivulje K
Ploščine in prostornine
Ploščina S lika ki ga omejuje zanka krivulje K je
S =2radica int
a
0xradicaminusxdx
Z uvedbo nove integracijske spremenljivke t z relacijo aminusx = t2 je
S =4radica int
radica
0t2(aminus t2)dt =
4radica int
radica
0(at2 minus t4)dt =
8a2
15
Lahko pa jo izrazimo tudi s splošno formulo ki smo jo izpeljali na začetku
razdelka S to formulo lahko izrazimo še prostornino V telesa ki ga pri
rotaciji okoli osi x opiše lik
V =πa int
a
0x2(aminusx)dx =
πa3
12
To je ravno polovica prostornine krogle s premerom a
Pač pa je izraz za ploščino S prime lika ki ga omejuje zanka krivulje Kprime bolj
zapleten izraz Uporabimo parametrični enačbi (4) in dobimo
S prime = int1
0(x(t)y(t)minus x(t)y(t))dt = 2a2
int
1
0
(1minus t2)3(1+2t2 minus3t4)(9t4 minus2t2 +1)2 dt
Če se zanesemo na računalniško računanje določenih integralov potem je
S prime =2a2
729(3(43πminus28)+52
radic2ln(1+
radic2))
kar je približno S prime ≐ 1059206796a2 Do enakega rezultata pridemo z
navidez enostavnejšo formulo
S prime = 2inta
0y(x)dx
42
toda drugim težjim integralom
S prime = 2int0
1y(t)x(t)dt = minus8a2
int
1
0
t2(1minus t2)3(3t2 +1)(9t4 +2t2 minus3)(9t4 minus2t2 +1)3 dt
Zakaj smo integrirali po parametru t od 1 do 0 Zato ker abscisa x narašča
od 0 do a ko t pada od 1 do 0 Ordinata y pa je pri tem nenegativna (glej
izraza (4))
Tudi izraz za prostornino V prime telesa ki ga pri rotaciji okoli osi x opiše
lik omejen s Kprime je navidez enostaven
V prime =πinta
0y2(x)dx
toda s parametrom t je zapleten a eksaktno izračunljiv
V prime =πint0
1y2(t)x(t)dt = 8πint
1
0
t3(t2 minus1)5(3t2 +1))(9t4 +2t2 minus3)(9t4 minus2t2 +1)4 dt
Za rezultat dobimo
V prime =2πa3
19683(431π
radic2+369+744ln2)
kar je približno V prime ≐ 08936800975a3
Naj bo s tem računanja integralov dovolj V nadaljevanju se bomo
posvetili nekaterim lažjim problemom
Tangenta
Pri krivuljah v koordinatnem sistemu Oxy so pomembni štirje dotikalni
elementi za posamezne točke T odsek na tangenti ∣TA∣ odsek na normali
∣T B∣ subtangenta ∣AT prime∣ in subnormala ∣BT prime∣ (slika 23) Izražajo se takole
∣TA∣ = ∣y
yprime
radic
1+yprime2∣ ∣T B∣ = ∣yradic
1+yprime2∣ ∣T primeA∣ = ∣y
yprime∣ ∣T primeB∣ = ∣yyprime∣
43
Slika 22 Ploščini likov omejenih z zankama krivulj K in Kprime
Pri tem pomeni yprime = f prime(x) če je enačba krivulje y = f (x) Točka T prime je pra-
vokotna projekcija točke T na abscisno os A je presečišče tangente na
krivuljo v točki T z osjo x B pa presečišče normale z osjo x Dotikalni
elementi so posebej definirani tudi za krivulje v polarnih koordinatah
Slika 23 Dotikalni elementi krivulje
De Sluse je za algebrsko krivuljo f (xy) = 0 po svoje našel izraz za sub-
tangento ts to je pravokotno projekcijo odseka na tangenti
44
na os x V današnji pisavi se subtangenta izraža v obliki
ts = minusy
partfparty (xy)
partfpartx (xy)
Za krivuljo K je f (xy) = ay2 minusx2(aminusx) = 0 in
ts =2x(xminusa)3xminus2a
Lotimo se še konstrukcije tangente t in normale n naK v točki T0(x0y0) ne
O ki enolično določa točko A(aay0x0) kot presečišče premice p skozi O
in T0 s premico x = a Skozi A povlecimo vzporednico nprime z normalo n na K
v točki T0 Normala ima smerni koeficient kn = tsy0 oziroma
kn =
partfparty (x0y0)
partfpartx (x0y0)
=2ay0
x0(3x0 minus2a)
Premica nprime ima enačbo
y minusay0
x0=
2ay0
x0(3x0 minus2a)(xminusx0)
in preseka abscisno os v točki T1(x10) za katero po krajšem računu do-
bimo x1 = 2a minus 3x02 Točko T1 in premico nprime zlahka geometrijsko kon-
struiramo Iskana tangenta t v točki T0 je pravokotna na nprime normala n pa
vzporedna z nprime (slika 24)
Inverzija krivulje K na krožnici
Po navadi za ravninske krivulje pogledamo še njihove inverzne slike na
krožnici Inverzija ali zrcaljenje na krožnici x2 + y2 = r2 je ravninska pres-
likava ι definirana s predpisom
ι ∶ (xy)↦ (r2x
x2 +y2 r2y
x2 +y2)
45
Slika 24 Tangenta in normala na krivuljo K
S spreminjanjem polmera r krožnice dobimo med seboj podobne krivulje
Če zrcalimo na krožnici x2 + y2 = a2 krivuljo K ki ima implicitno enačbo
(2) dobimo krivuljo Klowast ki ima enačbo
y4 = minusx3(aminusx)
ki je formalno oblike (2) zam = 4n = 3p = 1 in k = minus1 Dobljena krivuljaKlowast
je simetrična glede na os x ima dve veji abscisa na njej doseže ekstremni
vrednosti v točkah O(00) in D(a0) Ima pa kot bomo videli tudi dve
asimptoti y = xminusa4 in y = minusx+a4 (slika 25)
Krivuljo Klowast se da lepo parametrizirati s parametrom τ če v njeno
enačbo y4 = minusx3(aminusx) vstavimo y = τx Dobimo
x(τ) =a
1minusτ4 y(τ) =aτ
1minusτ4
To sta parametrični enačbi krivulje Klowast
Ko τ uarr minus1 x(τ)rarr minusinfin in y(τ)rarr +infin ko τ darr minus1 x(τ)rarr +infin in y(τ)rarr minusinfin
ko τ uarr +1 x(τ)rarr +infin in y(τ)rarr +infin ko τ darr +1 x(τ)rarr minusinfin in y(τ)rarr minusinfin
46
Slika 25 Inverzna slika Klowast krivulje K
Konstanti k in n poševne asimptote y = kx + n krivulje Klowast dobimo s
formulama
k = limxrarrplusmninfin
y
x n = lim
xrarrplusmninfin(y minus kx)
V našem primeru je
k = limxrarrplusmninfin
y
x= limτrarrplusmn1
τ = plusmn1 n = a limτrarrplusmn1
τ ∓11minusτ4 = ∓
a4
Poševni asimptoti sta torej premici y = plusmn(xminusa4)
Obnašanje krivulje v okolici točke D utemeljimo če zapišemo impli-
citno obliko krivulje nekoliko drugače
y4 = (xminusa)x3 = (xminusa)(a+(xminusa))3 = a3(xminusa)+3a2(xminusa)2+3a(xminusa)3+(xminusa)4
47
Slika 26 Krivulja Klowast in približka v okolici točk O in D
Za x ki je zelo blizu a prevlada na desni prvi člen tako da je y4 asymp a3(xminusa)
Razlika xminusa se torej obnaša približno tako kot bikvadrat ordinate y
V okolici točke O kjer so abscise negativne iz istega razloga velja y4 asymp
minusax3 zato se tam krivulja obnaša približno tako kot četrtkubična parabola
(slika 26)
Inverzija krivulje Kprime na krožnici
Na krožnici x2 + y2 = a2 zrcalimo še krivuljo Kprime nožiščno krivuljo krivulje
K glede na točko O Dobimo dvodelno krivuljo Kprimelowast kakršno vidimo na
sliki 27
Enačba nove krivulje v implicitni obliki je
4(x2 minusy2)2 minus4ax(x2 minus9y2)minus27a2y2 = 0
48
Slika 27 Inverzna slika Kprimelowast krivulje Kprime
Krivulja je algebrska četrte stopnje je simetrična glede na os x ima ost
z vodoravno tangento v točki O skozi točko D pa poteka v blagem loku
Natančneje ugotovimo približni potek krivulje v okolici teh dveh točk če
v zgornji enačbi obdržimo prevladujoče člene V okolici točke O kjer so
abscise negativne je ay2 asymp minus4x327 torej približno tako kot polkubična
parabola V okolici točke D(a0) je y2 asymp minus4a(x minus a) kar pomeni da se
krivulja obnaša približno tako kot parabola
Pritisnjeni krožnici na K
Pritisnjeni krožnici v točki O na krivuljo K sta inverzni sliki asimptot
krivulje Klowast na krožnici x2 + y2 = a2 Preprost račun pokaže da se asimp-
toti krivulje Klowast z inverzijo ι preslikata v krožnici x2 + y2 plusmn4ay minus4ax = 0 ki
imata središči v točkah Splusmn(2aplusmn2a) in polmer 2aradic
2 Sekata se pavokotno
v točkah O in M(4a0) Inverzija ι namreč ohranja kote (slika 28)
49
Slika 28 Pritisnjeni krožnici na krivuljo K v točki O
Ukrivljenost κ(t) krivulje K v točki ki ustreza parametru t brez težav
izračunamo iz njenih parametričnih enačb (3)
κ(t) =2(3t2 +1)
a(1minus2t2 +9t4)32
V posebnem primeru je v točki O to se pravi za t = plusmn1 ukrivljenost enaka
κ(plusmn1) = 1(2aradic
2) zato sta v O polmera pritisnjenih krožnic 1κ(plusmn1) =
2aradic
2 kar se seveda ujema z rezultatom dobljenim z inverzijo na krožnici
Toksoida
Videli smo da je inverzna slika krivulje K krivulja Klowast ki ima enačbo y4 =
minusx3(aminusx) ki je formalno oblike (2) zam = 4n = 3p = 1 in k = minus1 Prav tako
je krivulja ay2 = minusx2(aminus x) ki jo dobimo iz enačbe ay2 = x2(aminus x) krivulje
K če zamenjamo aminus x z x minus a formalno oblike (2) za m = 2n = 2p = 1 in
50
k = minus1a Krivuljo označimo jo s T ki ima enačbo
ay2 = x2(xminusa)
je nemški amaterski matematik samouk in izumitelj Diedrich (tudi Diede-
rich) Uhlhorn (1764ndash1837) imenoval rdquotoksoidardquo V svojem delu [13] obrav-
nava več krivulj in za nekatere tudi opiše mehanske naprave s katerimi
se jih da risati pa tudi njihovo uporabo pri reševanje enačb Beseda rdquotok-
soidardquo izvira iz dveh grških τόξον kar pomeni rdquolokrdquo (kot orožje) pa tudi
rdquopuščicardquo in εἶδος kar med drugim pomeni rdquooblika podobardquo D Uhlhorn
je imenoval krivuljo v nemščini rdquoBogenlinierdquo ker nemški samostalnik rdquoBo-
genrdquo pomeni prav tako rdquolokrdquo Iz besede τόξον smo dobili tudi besede ki
so povezane s strupi kajti bojne puščice so bile često zastrupljene
Slika 29 Toksoida
Toksoida ima tudi izolirano točkoO(00) saj njeni koordinati zadoščata
implicitni enačbi
Iz implicitne enačbe toksoide dobimo z zamenjavo y = tx njeni parametri-
čni enačbi
x(t) = a(1+ t2) y(t) = at(1+ t2) (5)
ki pa ne vključujeta izolirane točke O
51
Toksoida je algebrska krivulja tretje stopnje simetrična glede na os x
ki jo preseka za t = 0 v točki D(a0) kjer ima navpično tangento Krivulja
na prvi pogled ni nič posebnega a že D Uhlhorn je pokazal kako se kon-
struira njene posamezne točke in kako se z njo podvoji kocko
Slika 30 Konstrukcija točk toksoide
Do točke T na toksoidi pridemo takole V koordinatnem sistemu Oxy
za pozitiven a določimo točko D(a0) in skoznjo konstruiramo pravokot-
nico na os x torej premico x = a (slika 30) Na tej premici izberemo točko
A ki jo bomo spreminjali da bomo dobili krivuljo Skozi O in A nato
načrtamo premico p v A pa nanjo pravokotnico q ki seka abscisno os v
točki B V B postavimo na abscisno os pravokotnico r ki preseka premico
p v točki T Ko A potuje po premici x = a točka T opiše toksoido T brez
izolirane točke O
Da res dobimo toksoido T je treba samo zapisati enačbi y = tx premice
p in y = minus(x minus a)t + at premice q ter točki A(aat) in B(a(1 + t2)0) ter
T (a(1+t2)at(1+t2)) Koordinati točke T pa res dasta paramatrični enačbi
52
toksoide
Slika 31 Konstrukcija srednjih geometrijskih sorazmernic s toksoido
Iz podobnih trikotnikov ODA OAB in OBT na sliki 30 sledi relacija
∣OD ∣
∣OA∣=∣OA∣
∣OB∣=
∣OB∣∣OT ∣
kar pomeni da sta ∣OA∣ in ∣OB∣ srednji geometrijski sorazmernici daljic
∣OD ∣ = a in ∣OT ∣ = b Zato lahko izrazimo ∣OA∣ =3radica2b in ∣OB∣ =
3radicab2 na isti
način kot pri (3)
Če imamo že načrtano toksoido T potem srednji geometrijski sorazmer-
nici za a in b gt a dobimo tako da poiščemo presečišče T krožnice s sredi-
ščem v O skozi točko C(b0) in na zgoraj opisan način poiščemo premice
pq in r ter točki A in B (slika 31) Za b = 2a na ta način rešimo problem
podvojitve kocke ∣OA∣ = a 3radic
2
Ukrivljenost κ(t) toksoide T v točki ki ustreza parametru t brez težav
53
izračunamo iz njenih parametričnih enačb (5)
κ(t) =2(3t2 minus1)
a(1+10t2 +9t4)32
Opazimo da ukrivljenost menja predznak pri t = plusmn1radic
3 kar nam da točki
Pplusmn(4a3plusmn4aradic
39) v katerih ima T prevoja s tangentama s smernima koe-
ficientoma plusmnradic
3 Tangenti oklepata z osjo x kota plusmnπ3 Pritisnjena krožnica
v točki D ki ustreza t = 0 ima za polmer 1∣κ(0)∣ = a2 in središče v točki
S(3a20) (slika 32)
Slika 32 Prevoja toksoide T in pritisnjena krožnica v točki D
Prevoja sta konstruktibilna pri čemer si lahko pomagamo z vesico pis-
cis nad daljico OD Njeni točki Vplusmn sta narazen za aradic
3 premici skozi O
in Vplusmn pa določata smeri tangent v prevojih Prav tako je konstruktibilna
točka S V okolici točk D in Pplusmn je ujemanje toksoide s pritisnjeno krožnico
v D in tangentama v prevojih Pplusmn zelo dobro
54
Enačba toksoide T v polarnih koordinatah in ϕ je
(ϕ) =a
cos3ϕ
kar sledi iz njene implicitne oblike
a(x2 +y2) = x3
Pri tem je treba le upoštevati zvezi x2 +y2 = 2 in x = cosϕ
Polarna oblika je zelo primerna za študij inverzije na krožnici s središčem
v točki O in polmerom R Če je namreč lowast polarni polmer invertirane
krivulje mora veljati relacija
(ϕ)lowast(ϕ) =R2
Če izberemo R = a dobimo za inverzno sliko toksoide T krivuljo (slika 33)
T lowast ki ima nasledno enačbo v polarnih koordinatah
lowast(ϕ) = acos3ϕ
Slika 33 Inverzna slika T lowast toksoide T
55
Iz polarne oblike krivulje T lowast hitro izpeljemo še njeno implicitno enačbo
(x2 +y2)2 = ax3
Torej je T lowast algebrska krivulja četrte stopnje
Ploščino S lika ki ga ograjuje krivulja T lowast izračunamo po znani for-
muli
S = 2 sdot12 int
π2
0lowast2(ϕ)dϕ = a2
int
π2
0cos6ϕdϕ = a2 sdot
56
sdotπ2=
5πa2
32
Krivulja T lowast je simetrična glede na os x v točkah O in D ima navpični
tangenti največji odklon od osi x pa doseže v točkah Yplusmn(9a16plusmn3aradic
316)
kjer ima vodoravni tangenti in sicer pri polarnih kotih plusmnπ6
De Slusove pomnoževalke hiperkock
Podvojitev kocke je kot vemo klasični grški geometrijski problem ki se ga
ne da rešiti evklidsko to je samo z neoznačenim ravnilom in šestilom kar
so dokazali šele v 19 stoletju Problem zahteva določiti rob kocke ki ima
prostornino enako dvakratniku prostornine dane kocke To pomeni da
je treba za dano daljico a konstruirati tako daljico b za katero je b = a 3radic
2
Problem podvojitve kocke so Grki znali rešiti na več načinov Eden od njih
je možen s posebno ravninsko krivuljo z Dioklovo cisoido (več na primer
v [7])
Povsem smiselno se je vprašati kako bi pomnožili s faktorjem s gt 0
poljubno r-razsežno hiperkocko z robom a Njena prostornina je ar zato
je b = a rradics rob hiperkocke katere prostornina je s-kratnik prostornine
hiperkocke z robom a Dva primera sta trivialna Za r = 1 imamo daljico
56
njena rdquoprostorninardquo je kar njena dolžina a za r = 2 pa kvadrat čigar rdquopros-
torninardquo je kar njegova ploščina a2 Za r = 3 imamo opraviti z običajno
kocko z običajno prostornino a3 V prvih dveh primerih množenje s fak-
torjem s ni problematično saj s problemom lahko geometrijsko rešimo s
podobnimi trikotniki in z višinskim izrekom v pravokotnem trikotniku
Za r ge 4 si r-razsežno hiperkocko teže predstavljamo ker je ne moremo
realizirati z običajno geometrijo To pa ni ovira pri pomnožitvi take hiper-
kocke s številom s ker moramo znati samo njen rob a geometrijsko pom-
nožiti s številom rradics kar pa lahko naredimo v običajni ravnini V mate-
matični analizi je r-razsežna hiperkocka z robom a na primer kar r-kratni
kartezični produkt intervala [minusa2a2] s samim seboj to je množica
[minusa2a2]r = (x1x2 xr) isinRr ∶ ∣x1∣ le a2 ∣x2∣ le a2 ∣xr ∣ le a2
Oglejmo si de Slusove perle (2) z eksponenti mn =mminus 1 in p = 1 fak-
torjem k = 1 ter a gt 0 pri čemer je m sodo število to se pravi krivulje z
implicitno enačbo
ym = xmminus1(aminusx) (6)
oziroma xm + ym = axmminus1 Pri danem m označimo ustrezno krivuljo s Hm
Med njimi je tudi stara znanka x2 + y2 = ax krožnica s polmerom a2
in središčem v točki S(a20) Skupne vsem krivuljam so točke O(00)
Cplusmn(a2plusmna2) D(a0) ter navpični tangenti v O in D Krivulje Hm so za-
ključene in simetrične glede na os x in se dajo lepo parametrizirati z y = tx
Za vsako dobimo parametrično enačbo
x(t) =a
1+ tm y(t) =
at1+ tm
(7)
Najbolj se taka krivulja oddalji od abscisne osi za t = 1 mradicmminus1 v točkah
Yplusmn(a(mminus1)mplusmnam mradic
(mminus1)mminus1) Za t = 0 dobimo točko D za ∣t∣rarrinfin pa
57
se krivulja bliža točki O Slika 34 kaže nekaj primerov
Slika 34 Nekaj krivulj Hm
Naj bo s poljubno pozitivno število in A(0as) točka na osi y Premica
skozi A in D preseka krivuljo Hm v točkah D(a0) in B(x0y0) za katero
potrebujemo samo razmerje y0x0 Na sliki 35 je izbran eksponent m = 4
Premica skozi A in D ima enačbo xa+sya = 1 iz katere izrazimo aminusx = sy
in vstavimo v enačbo (6) Dobimo ym = ysxmminus1 Ker iščemo točko B s
pozitivno ordinato lahko z y krajšamo in dobimo y0x0 =mminus1radics
Premica skozi O in B ima enačbo y = y0xx0 in preseka premico x = a
v točki C(aay0x0) oziroma C(aa mminus1radics) Zato je ∣DC∣ = ∣OD ∣ mminus1
radics) V
primeru m = 4 in s = 2 je ∣DC∣ = ∣OD ∣3radic
2) kar pomeni da se nam je pos-
rečilo podvojiti trirazsežno kocko Za s = 3 kocko potrojimo za s = 4
početverimo itd Še več zam = 6 in s = 2 podvojimo 5-razsežno hiperkocko
58
za s = 3 jo potrojimo za s = 4 početverimo itd
Slika 35 Krivulja H4 in pomnožitev roba trirazsežne kocke
Lihih m nam ni treba posebej obravnavati ker krivulje Hm ne bi bile
prave de Slusove perle Poleg tega bi tedaj bil mminus 1 sodo število denimo
m minus 1 = 2αq z naravnim α in lihim q Korenjenje se potem da izvesti z
α-kratnim kvadratnim korenjenjem in enim q-tim korenjenjem s krivuljo
Hq+1 kakor smo zgoraj opisali
Drug način za pomnožitev hiperkock poteka s cisoidami Cm krivuljHm
in premice x = a Pri parametru t premica y = tx preseka premico x = a
v točki C(aat) točka B pa ima tedaj koordinati dani z parametričnima
enačbama (7) S koordinatami točk B in C imamo takoj
ETHBC = (aminus
a1+ tm
at minusat
1+ tm) = (
atm
1+ tmatm+1
1+ tm)
59
Slika 36 Nekaj krivulj Cm
Da bo točka T na cisoidi Cm mora veljati zvezaETHOT =
ETHBC Potemtakem ima
Cm parametrični enačbi
x(t) =atm
1+ tm y(t) =
atm+1
1+ tm (8)
Ker je t = yx dobimo še implicitno enačbo krivulje Cm
xm+1 = ym(aminusx) (9)
oziroma x(xm+ym) = aym Krivulje so za sodem definirane nad intervalom
60
[0a) so simetrične glede na os x imajo za asimptoto premico x = a in
potekajo skozi koordinatno izhodišče O in točki Cplusmn(a2plusmna2) Asimptoti
se krivulja bliža ko ∣t∣ rarr infin V točki O pri t = 0 imajo ost z vodoravno
tangento Za m = 2 dobimo staro znanko Dioklovo cisoido
Slika 37 Krivulja C4 in pomnožitev roba 5-razsežne hiperkocke
Izberimo sedaj na ordinatni osi točko A(0as) pri čemer je s pozi-
tivno število in vzemimo premico skozi točki A in D (slika 37) Ta ima
enačbo xa + y(as) = 1 iz katere izrazimo a minus x = ys Premica preseka
cisoido Cm v točki M(x0y0) s pozitivno ordinato Iz enačb premice skozi
A in D in (9) dobimo y0x0 = m+1radics Premica skozi točki O in M ima
enačbo y = y0xx0 in preseka premico x = a v točki E(aa m+1radics) Torej velja
61
zveza ∣DE∣ = ∣OD ∣ m+1radics kar pomeni da smo našli rob (m + 1)-razsežne
hiperkocke ki ima za prostornino s-kratnik prostornine dane (m + 1)-
razsežne hiperkocke
Naj bo Sm ploščina lika ki ga omejuje krivulja Hm in Qm ploščina
neomejenega lika ki ga omejuje krivulja Cm z asimptoto Ni ju težko
izraziti
Pm =a2(mminus1)πm2 sin π
m Qm =
a2(m+1)πm2 sin π
m
Nadalje naj bo Vm prostornina telesa ki nastane z rotacijo krivulje Hm
okoli osi x Wm pa prostornina neomejenega telesa ki nastane z rotacijo
krivulje Cm okoli osi x Prav tako ju ni težko izraziti
Vm =2a3(mminus1)(mminus2)π2
3m3 sin 2πm
Wm =2a3(m+1)(m+2)π2
3m3 sin 2πm
Ploščine in prostornine so poleg drugega zanimale že matematike v
17 stoletju zlasti C Huygensa Izračunajmo prostornino telesa Um ki
nastane z rotacijo lika med cisoido in njeno asimptoto okoli te asimptote
(slika 38) Uporabili bomo sodobne zapise in Eulerjevi funkciji B in Γ ki
ju C Huygens še ni mogel poznati Presek nastalega telesa na višini y je
krog s polmerom aminusx in ploščino π(aminusx)2 Upoštevamo še simetrijo lika
glede na os x uporabimo parametrično obliko (8) in nastavimo integral
Um = 2πintinfin
0(aminusx(t))2y(t)dt = 2πa3
int
infin
0
tm(tm +m+1)(1+ tm)4 dt
ki ga lahko izrazimo v obliki
Um = 2πa3(I2 + (mminus1)I3 minusmI4)
pri čemer je
Ik = intinfin
0
dt
(1+ tm)k
62
ki ima za m ge 2 in k ge 1 končno vrednost S substitucijo u = 1(1 + tm)
dobimo
Ik =1m int
1
0ukminus1minus1m(1minusu)1mminus1du =
1m
B(kminus1m1m) =Γ(k minus1m)Γ(1m)
mΓ(k)
Na koncu je rezultat zelo preprost
Um =2π2a3(m2 minus1)
3m3 sin πm
Prve tri prostornine so
U2 =π2a3
4 U4 =
5radic
2π2a3
32 U6 =
35π2a3
162
Slika 38 Telo nastalo z zasukom lika med krivuljo C2 in njeno asimptoto
okoli te asimptote
Izračunajmo prostornino telesa Um ki nastane z rotacijo lika med cisoido
in njeno asimptoto okoli osi y (slika 39) Presek nastalega telesa na višini y
63
je krožni kolobar z notranjim polmerom x in zunanjim polmerom a ki ima
ploščino π(a2minusx2) Upoštevamo še simetrijo lika glede na os x uporabimo
parametrično obliko (8) in nastavimo integral
Um = 2πintinfin
0(a2 minusx2(t))y(t)dt = 2πa3
int
infin
0
tm(tm +m+1)(2tm +1)(1+ tm)4 dt
ki ga lahko izrazimo z zgoraj vpeljanimi integrali Ik v obliki
Um = 2πa3(2I1 + (2mminus3)I2 minus (3mminus1)I3 +mI4)
Na koncu dobimo za rezultat
Um =2π2a3(m+1)(2m+1)
3m3 sin πm
Prve tri prostornine so
U2 =5π2a3
4 U4 =
15radic
2π2a3
32 U6 =
91π2a3
162
V 17 stoletju so se zanimali tudi za težišča homogenih likov in teles
Lik ki ga omejuje krivulja Hm ima težišče na abscisni osi oddaljen za xT
od osi y Da bi lahko poiskali xT moramo najprej izračunati za ta lik
moment
Mm = 2inta
0xy dx = 2int
0
infinx(t)y(t)xdt = 2a3mint
infin
0
tm
(1+ tm)4 dt
Izrazimo z integrali Ik in dobimo
Mm = 2a3m(I3 minus I4) =πa3(mminus1)(2mminus1)
3m3 sin πm
Abscisa težišča lika je potem kvocient momenta Mm in ploščine Sm
xT =(2mminus1)a
3m
64
Slika 39 Telo nastalo z zasukom lika med krivuljo C2 in njeno asimptoto
okoli osi y
Lik omejen s krivuljo Cm ima težišče na abscisni osi oddaljen za xC
od osi y Da bi poiskali xC uporabimo kar PaposndashGuldinovo pravilo za
prostornino vrtenine
2πxC sdotQm = Um
kjer je Qm ploščina lika ki ga rotiramo okoli osi y Rezultat je proti vsem
pričakovanjem zelo preprost
xC =(2m+1)a
3m
Poznoantični matematik Papos iz Aleksandrije (290ndash350) v grščini Πάπ-
πος ὁ Αλεξανδρεύς v latinščini Pappus je pomemben ker je zbral prak-
tično vse dotakratno matematično znanje Grkov in dodal še marsikaj svo-
65
jega Njegovo najpomembnejše delo je rdquoZbirkardquo v grščini Συναγωγή Uk-
varjal se je tudi s klasičnimi grškimi geometrijskimi problemi
Jezuit Paul Guldin (1577ndash1643) je bil švicarski matematik in astronom
profesor matematike na Dunaju in v Gradcu Pred tem je študiral v Rimu
Skupaj s Paposom je znan
po pravilih za izračun prostornine rotacijskega telesa in površine rotacij-
ske ploskve
Slika 40 Telo nastalo z zasukom lika ki ga omejuje H4 okoli osi y
ProstorninaXm vrtenine ki nastane z rotacijo lika omejenega s krivuljo
Hm okoli osi y je po PaposndashGuldinovem pravilu za prostornino enaka
Xm = 2πxT sdot Pm = 2π(2mminus1)a
3msdota2(mminus1)πm2 sin π
m=
2π2a3(2mminus1)(mminus1)3m3 sin π
m
Slika 40 kaže vrtenino za primer krivulje H4 Podobne slike bi dobili tudi
za druge Hm
Če isti lik rotiramo okoli premice x = a tangente na krivuljo Hm v
točki D dobimo vrtenino s prostornino Ym ki jo izračunamo prav tako
66
po PaposndashGuldinovem pravilu za prostornino in dobimo
Ym = 2π(aminusxT ) sdot Pm = 2π(m+1)a
3msdota2(mminus1)πm2 sin π
m=
2π2a3(m2 minus1)3m3 sin π
m
Opazimo da je prostornina Ym enaka prostornini Um telesa ki nastane
z rotacijo lika med krivuljo Cm in njeno asimptoto okoli te asimptote
Dokler ni bil razvit infinitezimalni račun kakršnega poznamo danes
so računali ploščine težišča prostornine in površine za vsak primer pose-
bej Veliko so se v 17 stoletju pa tudi že prej znani matematiki ukvarjali
s cikloido na primer N Kuzanski M Mersenne G Galilei G P de Rober-
val C Wren G Cardano B Pascal I Newton G W Leibniz C Huygens
je neko njeno lastnost uporabil pri izdelavi ure na nihalo
Evdoksova kampila
Oglejmo si naslednjo konstrukcijo točk krivulje V točki D(a0) pri čemer
je a gt 0 postavimo pravokotnico p na abscisno os Na p izberemo točko
A ki jo bomo kasneje premikali po tej premici Skozi O in A načrtamo
premico q in skozi A krožnico s središčem v koordinatnem izhodišču O
Krožnica preseka abscisno os v točkah B in Bprime ki sta simetrični glede na
točko O V B in Bprime konstruiramo pravokotnici r in rprime na os x ki presekata
p v točkah T in T prime ki sta tudi simetrični glede na točko O Ko teče točka
A po premici p opišeta T in T prime dvodelno krivuljo ki so jo poimenovali
rdquoEvdoksova kampilardquo Točka T opiše njeno desno vejo T prime pa levo Krivulja
je očitno simetrična glede na obe koordinatni osi (slika 41)
Enačbo desne veje dobljene Evdoksove kampile je najlaže najprej izraz-
iti v polarnih koordinatah nato pa še v implicitni obliki v pravokotnih
67
Slika 41 Konstrukcija točk Evdoksove kampile
kartezičnih koordinatah Za polarni kot ϕ vzamemo naklonski kot pre-
mice q za polarni radij pa razdaljo ∣OT ∣ (slika 41) Najprej očitno veljata
zvezi ∣OA∣ = ∣OD ∣cosϕ = acosϕ in = ∣OT ∣ = ∣OB∣cosϕ = ∣OA∣cosϕ iz
katerih dobimo = acos2ϕ tako da je nazadnje pri pogoju minusπ2 ltϕ ltπ2
polarna enačba desne veje Evdoksove kampile
(ϕ) =a
cos2ϕ (10)
Obe veji krivulje imata implicitno obliko
a2(x2 +y2) = x4 (11)
ki jo dobimo iz polarne oblike z upoštevanjem zvez 2 = x2 + y2 in cosϕ =
x Krivulja v obliki (11) ima izolirano točko O(00) ki je posledica del-
jenja z ki je lahko tudi enak 0 Evdoksova kampila je algebrska krivulja
četrte stopnje
Z Evdoksovo kampilo se da podvojiti kocko Načrtamo krožnico s
središčem v točkiD in polmerom a Njena enačba je x2+y2 = 2ax Vstavimo
68
Slika 42 Podvojitev kocke z Evdoksovo kampilo
2ax namesto x2 + y2 v (11) in dobimo enačbo x4 minus2a3x = x(x3 minus2a3) = 0 ki
ima realni rešitvi x0 = 0 in x1 = a 3radic
2 V prvem kvadrantu se krožnica in
Evdoksova kampila sekata v točki T (a 3radic
2aradic
2 3radic
2minus 3radic
4) kar pomeni da
ima točka T absciso
∣T0T ∣ = b = a 3radic2
Kocka z robom b ima prostornino b3 = 2a3 torej dvakratnik prostornine
kocke z robom a
Grška beseda καμπύλος pomeni rdquokriv zavit upognjenrdquo v ženski ob-
liki καμπύλη beseda γραμμή pa rdquočrta potezardquo Polno ime krivulje je v
grščini καμπύλη γραμμή torej rdquokriva črtardquo na kratko so jo poimenovali kar
rdquokampilardquo kateri so dodali še Evdoksovo ime Evdoks iz Knida (408ndash355
pnš) Εὔδοξος ὁ Κνίδιος je bil starogrški matematik in astronom Bil je
Arhitov učenec v Tarentu grško Τάρας in Platonov na Akademiji v Ate-
nah Obiskal je tudi Sicilijo in Egipt Kasneje je ustanovil svojo šolo v
Kiziku grško Κύζικος ob Mramornem morju ali Propontidi grško Προ-
ποντίς Pomemben je njegov doprinos v teoriji razmerij in nesoizmerljivih
količin kar je uporabil Evklid Εὐκλείδης v svojih Elementih Στοιχεῖα
69
Grška beseda εὔδοξος pomeni med drugim rdquosloveč slaven ugledenrdquo
V astronomiji je Evdoks zagovarjal geocentrični svetovni sistem in za
pojasnitev gibanja planetov in Lune uvedel sistem koncentričnih sfer ki
se vrtijo ena v drugi S tem v zvezi je uvedel še eno krivuljo ki jo poznamo
pod imenom rdquoEvdoksova hipopedardquo
Problem podvojitve kocke je na svojevrsten način s torusom valjem
in stožcem rešil pitagorejec in vojaški poveljnik Arhitas iz Tarenta v južni
Italiji grško Αρχύτας ὁ Ταραντίνος rojen med letoma 435 in 410 umrl
pa med letoma 360 in 350 pnš Morda je Evdoks Arhitovo prostorsko
rešitev problema podvojitve kocke poenostavil na reševanje v ravnini in
tako prišel do svoje kampile Dokazano to ni nikjer ve se le da mu je
rešitev uspelo najti z neko krivuljo Način reševanja pa je podoben reše-
vanju z Uhlhornovo toksoido ki ima tudi podobno enačbo v polarni obliki
(ϕ) = acos3ϕ
Tako Uhlhornova toksoida kot Evdoksova kampila spadata v skupino
Clairautovih krivulj = acosnϕ ali = asinnϕ Če je n racionalno število
je Clairautova krivulja algebrska Alexis Claude Clairaut (1713ndash1765) je
bil francoski matematik in astronom
Evdoksovo kampilo brez izolirane toke O parametriziramo kar s po-
larnim kotom
x(ϕ) =a
cosϕ y(ϕ) =
asinϕcos2ϕ
Njena ukrivljenost κ(ϕ) se izraža v obliki
κ(ϕ) =cos3ϕ(3sin2ϕ minus1)
a(3sin2ϕ +1)32
Ukrivljenost spremeni predznak pri kotu ϕ za katerega je 3sin2ϕ minus1 = 0
V takih točkah ima krivulja prevoje Evdoksova kampila ima štiri in sicer
70
Slika 43 Desna veja Evdoksove kampile prevoja in pritisnjena krožnica
v točkah (plusmnaradic
62plusmnaradic
32) Strmini tangent v teh točkah sta plusmn2radic
2 Os x
presekata za desno vejo v točki G(3aradic
680) Krivinski polmer v točkah
D inDprime je enak a Središče pritisnjene krožnice v točkiD je v točki S(2a0)
Približno ujemanje krivulje tangent v prevojih Pplusmn in pritisnjene krožnice v
temenu D kaže slika 43 Ujemanje bi lahko izkoristili za približno podvo-
jitev kocke Če namesto Evdoksove kampile vzamemo kar njeno tangento
y = 2radic
2(xminusaradic
62)+aradic
32
v prevoju v prvem kvadrantu in poiščemo absciso ξ presečišča s krožnico
x2 +y2 = 2ax dobimo
ξa=
118
radic
24radic
6minus23+
radic6
3+
19≐ 1259956951
namesto točnejše vrednosti
3radic
2a
≐ 1259921049
71
Če bi podoben račun naredili za Uhlhornovo toksoido ki se v prevojih
tudi približno ujema s tangentama bi dobili slabši rezultat
Zgoraj opisani približek lahko izkoristimo za precej natančno evklid-
sko konstrukcijo roba b podvojene kocke z robom a V koordinatnem sis-
temu Oxy narišemo krožnico s polmerom a s središčem v točki D(a0)
skozi O pa konstruiramo premico p z naklonskim koeficientom k = 2radic
2
Na abscisni osi konstruiramo točkoG(3aradic
680) in skoznjo premico q vz-
poredno s p Presečišče te premice s krožnico je točka T njena pravokotna
projekcija na os y pa točka T0 Razdalja b = ∣T0T ∣ je dober približek za
a 3radic
2 (slika 44) Pri tem izkoristimo izraza za diagonalo kvadrata in višino
enakostraničnega trikotnika v katerih nastopataradic
2 inradic
3 s kombinacijo
obeh pa šeradic
6 Podrobnosti so izpuščene z malo truda lahko konstrukcije
izvede vsak sam
Slika 44 Približna podvojitev kocke
Zrcalno sliko Evdoksove kampile (11) na krožnici x2 + y2 = a2 takoj
dobimo iz polarne oblike njene desne veje lowast(ϕ) = acos2ϕ Z zapisom v
pravokotnih kartezičnih koordinatah dobimo implicitno obliko za celotno
prezrcaljeno krivuljo
(x2 +y2)3 = a2x4
72
Krivulja je algebrska šeste stopnje Simetrična je glede na obe koordinatni
osi Njeni največji odkloni od osi x so pri polarnih kotih ϕ za katere je
3sin2ϕ = 1 to je v točkah (plusmn2aradic
69plusmn2aradic
39) kjer ima krivulja vodo-
ravni dvojni tangenti
Slika 45 Zrcaljenje Evdoksove kampile na krožnici
Nova krivulja spada med Clairautove Ploščina P obeh delov jajčastih
oblik je
P = 4 sdota2
2 intπ2
0cos4ϕdϕ = 2a2 sdot
34
sdotπ2=
3πa2
8
Problem podvojitve kocke grško διπλασιασμός τοῦ κύβου ali deloški
problem poimenovan po grškem otoku Delosu v Egejskem morju je reše-
valo več grških geometrov ki so celo skušali izdelati v ta namen posebno
orodje Platon je pograjal Evdoksove Arhitove in Menajhmove učence
češ da njihovi napori kvarijo kar je dobrega v geometriji Nastal je celo
epigram (puščica zbadljivka) v zvezi s podvojitvijo kocke ki je zapisan v
Evtokijevih komentarjih k Arhimedovi razpravi rdquoO krogli in valjurdquo grško
Περὶ σφαίρας καὶ κυλίνδρου Matematik in neoplatonist Evtokij iz Aškalona
v Palestini Εὐτόκιος ὁ Ασκαλονίτης je bil poznoantični matematik rojen
73
okoli leta 480 umrl pa je okoli leta 520 O njem se ve bore malo Nekaj
časa je deloval v Atenah nazadnje pa v Aleksandriji Napisal je tudi ko-
mentarje k Apolonijevi razpravi rdquoStožnicerdquo v grščini Κωνικά Na stožnice
se je v srednjem kar nekoliko pozabilo zanimanje zanje je spet oživelo
šele v času Keplerja in Newtona ko je bil potreben opis gibanja planetov
v heliocentričnem svetovnem sistemu
Navedimo omenjeni epigram v grščini in v prevodu S Weiss (vzeto iz
obsežnega knjižnega dela v treh delih [3])
Μηδὲ σύ γrsquo Αρχύτεω δυσμήχανα ἔργα κυλίνδρων
μηδὲ Μεναιχμείους κωνοτομεῖν τριάδας
διζήσηι μηδrsquo εἴ τι θεουδέος Εὐδόξοιο
καμπύλον ἐν γραμμαῖς εἶδος ἀναγράφεται
Težkih Arhitovih del s cilindri nikar ne posnemaj
stožnic Menajhmovih treh nikdar izsekal ne boš
niti ne boš spoznal če božanskega črte Evdoksa
res zarišejo lik tak iz zavitih kampil
Videli smo kaj vse se da povedati o neki krivulji če obvladamo in-
finitezimalni račun Seveda nam je to sedaj ko imamo na voljo najnovejše
pripomočke in obsežno ter dostopno matematično literaturo veliko laže
kot je bilo matematikom v 17 stoletju ko so v marsičem še orali ledino
Pomembni znanstveniki rojeni v 17 stoletju
Navedimo nekaj pomembnih znanstvenikov predvsem matematikov fizi-
kov in astronomov ki so se rodili v 17 stoletju Razvrščeni so po letnicah
74
rojstva Veliko podatkov dobimo v [1 5] in na svetovnem spletu
Gilles Personne de Roberval (1602ndash1675)
Pierre de Fermat (1607ndash1665)
Giovanni Alfonso Borelli (1608ndash1679)
Evangelista Torricelli (1608ndash1647)
John Pell (1610ndash1685)
Johann Hevel (1611ndash1687)
Frans van Schooten (1615ndash1660)
Carlo Renaldini (1615ndash1698)
John Wallis (1616ndash1703)
Henry Oldenburg (1618ndash1677)
Michelangelo Ricci (1619ndash1682)
William Brouncker (1620ndash1684)
Edmeacute Mariotte (1620ndash1684)
Jean Picard (1620ndash1682)
Vincenzo Viviani (1622ndash1703)
Reneacute-Franccedilois de Sluse (1622-1685)
Blaise Pascal (1623ndash1662)
Giovanni Domenico Cassini (1625ndash1712)
Robert Boyle (1627ndash1691)
Christiaan Huygens (1629ndash1695)
Isaac Barrow (1630ndash1677)
Ehrenfried Walther von Tschirnhaus (1631ndash1708)
Christopher Wren (1632ndash1723)
Johann Hudde (1633ndash1704)
Robert Hooke (1635ndash1703)
75
William Neile (1637ndash1670)
James Gregory (1638ndash1675)
Philippe de la Hire (1640ndash1719)
Isaac Newton (1643ndash1727)
Olaus Roslashmer (1644ndash1710)
Gottfried Wilhelm Leibniz (1646ndash1716)
Denis Papin (1647ndash1712)
Michel Rolle (1652ndash1719)
Pierre Varignon (1654ndash1722)
Jacob Bernoulli (1655ndash1705)
Edmund Halley (1656ndash1742)
Guillaume Franccedilois Antoine LrsquoHocircpital (1661ndash1704)
David Gregory (1661ndash1708)
Abraham de Moivre (1667ndash1754)
Johann Bernoulli (1667ndash1748)
Jacopo Francesco Riccati (1676ndash1754)
Giulio Carlo Fagnano (1682ndash1766)
Roger Cotes (1682ndash1716)
Reneacute Antoine Reacuteaumur (1683ndash1757)
Greacutegoire de Saint-Vincent (1584ndash1667)
Brook Taylor (1685ndash1731)
Gabriel Daniel Fahrenheit (1686ndash1736)
Colin Maclaurin (1698ndash1746)
Pierre Louis Moreau de Mapertuis (1698ndash1759)
76
Viri
[1] I Asimov Biografska enciklopedija znanosti in tehnike Tehniška za-
ložba Slovenije Ljubljana 1978
[2] J Bair V Henry Sluse ses perles et son algorithme Losanges 14
(2011) str 14ndash18 httphdlhandlenet2268100155 (videno 10
7 2021)
[3] G Kocijančič (urednik) Fragmenti predsokratikov Študentska za-
ložba Ljubljana 2012
[4] G Loria Spezielle algebraische und transscendente ebene Kurven
Teubner Leipzig 1902
[5] U C Merzbach C B Boyer A History of Mathematics John Wiley amp
Sons Hoboken New Jersey 2011
[6] J J OrsquoConnor E F Robertson Reneacute Franccedilois Walter de Sluze MacTu-
tor
httpsmathshistoryst-andrewsacukBiographiesSluze
(videno 10 7 2021)
[7] B von Pape Von Eudoxus zu Uhlhorn Books on Demand Norderstedt
2019
[8] M Razpet Pomnožitev hiperkocke Obzornik mat fiz 68 (2021) št 1
str 1-9
[9] M Razpet in N Razpet Prepogibanje papirja podvojitev kocke in
Slusova konhoida Obzornik mat fiz 67 (2020) št 2 str 41-51
77
[10] Y Renotte Reneacute de Sluze dialogues avec Christiaan Huygens
Bulletin de lrsquouniversiteacute du 3e acircge - Liegravege 23 (2021) 4 strani
httphdlhandlenet22682596400 (videno 10 7 2021)
[11] R F Slusius Mesolabum seu duaelig mediaelig proportionales inter ex-
tremas datas per circulum et ellipsim vel hyperbolam infinitis modis
exhibitaelig Leodii Eburonum Liegravege 1659
[12] R F Slusius Mesolabum seu duaelig mediaelig proportionales inter ex-
tremas datas per circulum et per infinitas hyperbolas vel ellipses et
per quamlibet exhibitaelig ac problematum omnium solidorum effectio
per easdem curvas Leodii Eburonum Liegravege 1668
[13] D Uhlhorn Entdeckungen in der houmlhern Geometrie theoretisch und
practisch abgehandelt Schulzersquosche Buchhandlung Oldenburg 1809
[14] I Vidav Algebra Mladinska knjiga Ljubljana 1972
Avtor se zahvaljuje prof dr Milanu Hladniku za strokovni pregled
copy(2021) Marko Razpet
78
Slika 11 Zasuk de Slusove perle za m = 2n = 3p = 1k = 001 okoli osi x
Integracijsko spremenljivko x smo tudi to pot zamenjali z novo spremenljivko
t prek relacije x = at da smo dobili obliko ki jo lahko izrazimo z Eulerje-
vima funkcijama B in Γ
V =πk2ma(m+2n+2p)mB(2nm+12pm+1) =
=πk2ma(m+2n+2p)mΓ(2nm+1)Γ(2pm+1)Γ((2n+2p)m+2)
=
= 2πk2ma(m+2n+2p)m np
(m+2n+2p)(n+p)Γ(2nm)Γ(2pm)
Γ((2n+2p)m)
Poseben primer de Slusove perle
Natančneje bomo obravnavali de Slusovo perlo samo primer za m = n = 2
p = 1 in k = 1a to se pravi krivuljo K ki ima implicitno enačbo ay2 =
x2(a minus x) To pa zato ker se posamezne točke te krivulje da preprosto
konstruirati z osnovnim geometrijskim orodjem
24
Geometrijska konstrukcija in analitična obravnava
Do posameznih točk T krivulje K pridemo s preprosto geometrijsko kon-
strukcijo (slika 12) V pravokotnem kartezičnem koordinatnem sistemu
Oxy načrtamo premico x = a kjer je a pozitivna konstanta Skozi koordi-
natno izhodišče O potegnemo premico p ki ima enačbo y = tx in preseka
premico x = a v točki A(ata) Parameter t smerni koeficient premice p s
katerim je sorazmerna ordinata točkeA bomo kasneje spreminjali V točki
A na p postavimo pravokotnico q ki seka os x v točki B V B načrtamo na
q pravokotnico r ki seka premico x = a v točki C nazadnje pa skozi C še
pravokotnico s na r Presečišče premic p in s naj bo točka T (xy) Sedaj
bomo izrazili njeni koordinati x in y s parametrom t
Slika 12 Konstrukcija točke T de Slusove perle K
Premica q ima enačbo y = minus(x minus a)t + at in preseka os x v točki B(a +
at20) Premica r ima enačbo y = t(x minus aminus at2) in preseka premico x = a v
točki C(aminusat3) premica s pa enačbo y = minus(xminus a)t minus at3 Koordinati točke
T sta rešitvi sistema enačb
y = tx y = minusxminusat
minusat3
25
Po krajšem računu dobimo
x(t) = a(1minus t2) y(t) = at(1minus t2) (3)
To sta parametrični enačbi krivulje K Ko spreminjamo t po vseh realnih
vrednostih oziroma ko A drsi po premici x = a točka T (xy) opiše krivuljo
K (slika 13) z zanko ki spominja na perlo
Če si mislimo da je parameter t čas enačbi (3) predstavljata sestav-
ljeno gibanje točkaste mase v dveh med seboj pravokotnih smereh v koor-
dinatni ravnini v smeri osi x po pravilu prve enačbe v smeri osi y pa po
pravilu druge enačbe Tirnica takega gibanja je krivulja K Podoben le da
bolj preprost primer imamo tudi pri gibanju točkaste mase pri poševnem
metu
Slika 13 De Slusova perla K
Ko se t spreminja od zelo velikih negativnih vrednosti potuje T po
loku v drugem kvadrantu navzdol in doseže za t = minus1 prvič točko O Za
minus1 le t le 0 opiše lok v četrtem kvadrantu odO do temenaD(a0) za 0 le t le 1
opiše lok v prvem kvadrantu od D do točke O ki jo doseže drugič za t = 1
za t gt 1 pa se spusti po loku v tretjem kvadrantu navzdol
26
Če upoštevamo (3) dobimo
x2(t)(aminusx(t)) = a2(1minus t2)2 sdotat2 = a(at(1minus t2))2 = ay2(t)
To pomeni da je ay2 = x2(aminusx) implicitna enačba krivulje K in da je K al-
gebrska krivulja tretje stopnje Krivulja K je simetrična glede na os x Za
točke ki so zelo blizu koordinatnemu izhodiščuO je člen x3 zanemarljivo
majhen v primerjavi s kvadratnima členoma zato je tam enačba krivulje
K približno ay2 = ax2 oziroma (y minusx)(y +x) = 0 Ta enačba razpade na dve
y = x in y = minusx V točki O ima krivulja tangenti y = x in y = minusx ki se sekata
pravokotno V točki D je tangenta na krivuljo premica x = a Krivulja ima
na zanki dve glede na os x simetrično ležeči lokalno ekstremni točki v ka-
terih je tangenta vzporedna z osjo x To sta točki Mplusmn(2a3plusmn2aradic
39) De
Sluse jih je na svojevrsten način pravilno izračunal čeprav je bilo v nje-
govem času računanje z odvodi še v zametkih Da bi pravilnost ekstrem-
nih točk preverili brez odvoda uporabimo kvadrat ekstremne ordinate ki
je y2M = 4a227 in zapišimo izraz
ay2M minusx2(aminusx) = 4a327minusax2 +x3 = (xminus2a3)2(x+a3)
ki je za 0 lt x lt a nenegativen in enak 0 za x = 2a3 To pomeni da je
tedaj x2(a minus x) le 4a327 in največja ordinata na zanki krivulje je 2aradic
39
najmanjša pa minus2aradic
39 oboje pri x = 2a3 (slika 14)
Z uporabo odvoda gre vse veliko hitreje Ordinata y doseže ekstrem
takrat kot ay2 Zato je vseeno če poiščemo ekstrem enostavnejše funkcije
g(x) = x2(a minus x) = ax2 minus x3 Potreben pogoj za to je g prime(x) = 2ax minus 3x2 = 0
Dobimo stacionarni točki x1 = 0 in x2 = 2a3 Uporabimo še g primeprime(x) = 2aminus6x
Ker je g primeprime(x1) = 2a gt 0 in g primeprime(x2) = minus2a lt 0 ima funkcija g v točki x1 lokalni
minimum ki je enak 0 v točki x2 pa lokalni maksimum ki je enak 4a327
27
Slika 14 Lokalna ekstrema na de Slusovi perli K
Ekstremna točka na zanki kjer je tangenta vzporedna z osjo x je očitno
le v x2 kvadrat ekstremne ordinate je tedaj g(x2)a = 4a227 = 12a281
Ekstremni ordinati sta torej plusmn2aradic
39 pri abscisi 2a3
Abscise 2a3 ni težko geometrijsko konstruirati prav tako tudi ne or-
dinate 2aradic
39 ki je 29 razdalje ∣PminusP+∣ = aradic
3 kjer sta Pminus in P+ presečišči
krožnih lokov s središčema v točkahO inD in polmerom ∣OD ∣ To pomeni
da sta točki Pminus in P+ konstruktibilni
Če bi načrtali celotna krajša krožna loka med Pminus in P+ bi dobili med
njima lečast lik ki so mu nekoč rekli rdquovesica piscisrdquo kar dobesedno pomeni
rdquoribji mehurrdquo Lik je bil zelo znan v srednjeveški sakralni umetnosti
Čeprav v de Slusovem času še niso poznali odvoda funkcije v današn-
jem smislu so že vedeli zahvaljujoč Fermatu da ima funkcija v točki
lokalnega ekstrema vodoravno tangento
28
Spremljajoča parabola
Nastajanje krivulje K spremljajo še nekatere druge bolj ali manj znane
krivulje Najprej si oglejmo kaj dobimo če točko O pravokotno projici-
ramo na premice r in spreminjamo parameter t Dobljena projekcija naj
bo R (slika 15)
V prispevku se pogosto sklicujemo na povezavo med smernima koe-
ficientoma premice in pravokotnice nanjo Koeficienta sta si inverzna in
nasprotna Zato zlahka napišemo enačbo premice r in pravokotnice skozi
O nanjo
y = t(xminusaminusat2) y = minusxt
Njuno presečišče R ima koordinati
x(t) = at2 y(t) = minusat
Z izločitvijo parametra t dobimo y2 = ax kar pomeni da točke R pri spre-
minjanju točkeA po premici x = a opišejo parabolo rdquospremljajočo parabolordquo
ki ima gorišče v točki F(a40) in vodnico v z enačbo x = minusa4
Slika 15 De Slusova perla K in spremljajoča parabola
29
Ogrinjače
Ko drsi točka A po premici x = a premice s ogrinjajo neko krivuljo Ks
Premice s so v točki T krivulje K pravokotne na premice skozi O in T
Njeno enačbo dobimo po standardnem postopku Enačba premic s je
F(xyt) = y +xminusat
+at3 = 0
To je enoparametrična družina premic ki ogrinjajo krivuljo Ks imeno-
vano rdquoogrinjačardquo te družine (slika 16) V vsaki točki ogrinjače se jo dotika
ena premica v različnih točkah različne premice družine Enačbo njihove
ogrinjače v implicitni obliki dobimo tako da iz sistema enačb
Slika 16 De Slusova perla K in ogrinjače Ks Kq Kr
F(xyt) = 0partFpartt
(xyt) = 0
izločimo parameter t Iz enačbe
partFpartt
(xyt) = minus(xminusa)t2 +3at2 = 0
30
dobimo najprej xminusa = 3at4 kar vstavimo v prvo enačbo v sistemu in imamo
y = minus4at3 Dobili smo ogrinjačo v parametrični obliki
x(t) = a(1+3t4) y(t) = minus4at3
Izločimo t in enačba iskane ogrinjače Ks v implicitni obliki je pred nami
27y4 = 256a(xminusa)3
Ker je y dobljene krivulje sorazmeren s potenco (x minus a)34 lahko rečemo
da je ogrinjača premic s četrtkubična parabola
Podobno poiščemo ogrinjačo Kq premic q
F(xyt) = yt +xminusaminusat2 = 0partFpartt
(xyt) = y minus2at = 0
Ogrinjača v parametrični obliki je to pot
x(t) = a(1minus t2) y(t) = 2at
Z izločitvijo parametra t dobimo njeno enačbo v implicitni obliki
y2 = minus4a(xminusa)
Dobljena krivulja Kq je parabola z vodnico x = 2a in goriščem v točki O
(slika 16)
Nazadnje po enakem postopku kot doslej poiščemo še ogrinjačo Kr
premic r
F(xyt) = y minus tx+at +at3 = 0partFpartt
(xyt) = minusx+a+3at2 = 0
Ogrinjača v parametrični obliki je potem
x(t) = a(1+3t2) y(t) = 2at3
31
Z izločitvijo parametra t dobimo njeno enačbo še v implicitni obliki
27ay2 = 4(xminusa)3
Dobljena krivulja Kr je polkubična ali Neilova parabola z ostjo v točki
D(a0) kjer ima vodoravno tangento (slika 16) Krivuljo Ks smo up-
ravičeno imenovali četrtkubična parabola Slednja ima v točki D(a0)
navpično tangento
Edinole premice p od tistih ki sodelujejo v konstrukciji točk krivulje
K nimajo ogrinjače Vse premice p namreč potekajo skozi koordinatno
izhodišče O in očitno ne ogrinjajo nobene krivulje
Nožiščne krivulje
Novo krivuljoHprime dobimo če na tangente dane krivuljeH pravokotno pro-
jiciramo izbrano točko Φ Vse projekcije P nožišča točke Φ na tangentah
krivuljeH sestavljajo krivuljoHprime ki jo imenujemo rdquonožiščnardquo ali rdquopedalna
krivuljardquo krivulje H glede na točko Φ
Beseda rdquopedalenrdquo izhaja iz latinske rdquopedalisrdquo kar pomeni rdquonoženrdquo Os-
novna beseda je rdquopesrdquo v rodilniku ednine rdquopedisrdquo kar pomeni rdquonogardquo Od
tod izvirajo tudi besede rdquopedalordquo rdquopedalarrdquo in rdquopedalinrdquo
Poiščimo nekaj nožiščnih krivulj glede na koordinatno izhodišče O
Najprej za krivuljo K ki je poseben primer de Slusove perle Za odvod
v točki T isinK ki ustreza parametru t dobimo
dy
dx(x) =
y
x(t) =
3t2 minus12t
Enačbi tangente v T in pravokotnice skozi O nanjo pa se glasita
y minusat(1minus t2) =3t2 minus1
2t(xminusa(1minus t2)) y =
2t1minus3t2
x
32
Sekata se v točki P s koordinatama
x(t) =a(t2 minus1)2(1minus3t2)
9t4 minus2t2 +1 y(t) =
2at(t2 minus1)2
9t4 minus2t2 +1 (4)
S tem smo našli parametrični enačbi krivulje Kprime (slika 17) Do implicitne
enačbe je dolga pot prek rezultante dveh polinomov spremenljivke t od
katerih je prvi druge drugi pa pete stopnje Najprej opazimo da je v (4)
yx = 2t(1minus 3t2) kar lahko zapišemo kot p(t) = 3yt2 + 2xt minus y = 0 drugo
enačbo pa zapišemo v obliki q(t) = 2at5 minus 9yt4 minus 4at3 + 2yt2 + 2at minus y = 0
Zaradi enostavnosti smo pisali x in y brez argumenta t Da izločimo pa-
rameter t je treba zapisati rdquorezultantordquo R(p(t)q(t)) polinomov p(t) in
q(t) in jo izenačiti z 0 (glej [14])
R(p(t)q(t)) =
RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR
2a minus9y minus4a 2y 2a minusy 0
0 2a minus9y minus4a 2y 2a minusy
3y 2x minusy 0 0 0 0
0 3y 2x minusy 0 0 0
0 0 3y 2x minusy 0 0
0 0 0 3y 2x minusy 0
0 0 0 0 3y 2x minusy
RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR
= 0
Zadnji stolpec je deljiv z y Ker y = 0 ni del iskane nožiščne krivulje pre-
ostane ko izračunamo determinanto in jo okrajšamo z y in preuredimo
27y2(x2 +y2)2 +4ax(x2 minus9y2)(x2 +y2)minus4a2(x2 minusy2)2 = 0
Rezultat je torej algebrska krivulja šeste stopnje Krivulja je simetrična
glede na abscisno os točka O pa je njena posebna točka Za zelo majhne
x in y prevlada zadnji člen kar pomeni da sta premici y = x in y = minusx v O
tangenti na krivuljo
33
Slika 17 Nožiščna krivulja Kprime krivulje K glede na koordinatno izhodišče
Zanka krivulje Kprime nekoliko spominja na srčnico ali kardioido ki jo
opisujejo točke krožnice ki se brez drsenja kotali po enako veliki krožnici
Krivulja Kprime ima še neomejeni del ki se razteza po drugem in tretjem kvad-
rantu Poglejmo kako potuje točka po krivulji v parametrizaciji (4) ko
parameter t teče po številski premici Za t lt minus1 poteka krivulja po tretjem
kvadrantu pri čemer x(t)rarr minusinfin in y(t)rarr minusinfin ko t rarr minusinfin Pri t = minus1 točka
doseže O v obliki osti ki ima za tangento premico y = x Za minus1 lt t lt 0
potuje točka po četrtem kvadrantu doseže točko D pri t = 0 za 0 lt t lt 1
potuje naprej po prvem kvadrantu in pri t = 1 spet doseže O kjer ima
ost s tangento y = minusx nato nadaljuje pot po drugem kvadrantu pri čemer
x(t)rarr minusinfin in y(t)rarrinfin ko trarrinfin
Nožiščna krivulja malo prej obravnavane krivulje Ks glede na točko O
ni nič drugega kot krivulja K Premice s so namreč tangente na Ks nožišča
točke O na njej pa so točke krivulje K Lahko pa to preverimo z računom
34
tako kot smo poiskali nožiščno krivuljo Kprime za K glede na točko O
Za odvod v poljubni točki na Ks ki ustreza parametru t dobimo
dy
dx(x) =
y
x(t) = minus
1t
Enačbi tangente v tej točki in pravokotnice skozi O nanjo pa se glasita
y +4at3 = minus1t(xminusa(1+3t4)) y = tx
Sekata se v točki s koordinatama
x(t) = a(1minus t2) y(t) = at(1minus t2)
To sta ravno parametrični enačbi krivulje K tako da velja Kprimes =K
Podobno ugotovimo tudi da je premica x = a nožiščna krivulja za para-
bolo Kq Premica x = a je tangenta te parabole v temenu V splošnem je
temenska tangenta parabole kar njena nožiščna krivulja glede na gorišče
Ugotovili smo torej da je nožiščna krivulja krivulje Kr spremljajoča para-
bola krivulje K
Ekstremne točke nožiščne krivulje Kprime
Ekstremne točke na zanki krivulje Kprime dobimo iz odvodov
x(t) =2at(1minus t2)(3t2 +1)(9t4 +2t2 minus3)
(9t4 minus2t2 +1)2
y(t) =2a(t2 minus1)(3t2 +1)(3t4 +6t2 minus1)
(9t4 minus2t2 +1)2
Za t = 0 doseže v točki D(a0) abscisa svojo največjo vrednost Za t = plusmn1
poteka krivulja skozi točko O kjer sama sebe preseka pod pravim kotom
ker je yprime(0) = (yx)(plusmn1) = ∓1
35
Najmanjšo absciso na zanki ima krivulja Kprime v točki ki jo določa para-
meter t za katerega velja pogoj 9t4 +2t2 minus3 = 0 To je bikvadratna enačba
katere realni rešitvi sta tplusmn = plusmnradic
2radic
7minus13 ustrezni točki na krivulji pa
izračunamo z enačbama (4) in dobimo
Xplusmn(a(17minus7radic
7)27plusmnaradic
74radic
7minus17227)
Ekstremni ordinati na zanki ima krivulja takrat za tisto vrednost para-
metra t za katerega velja pogoj 3t4 + 6t2 minus 1 = 0 Realni rešitvi te bi-
kvadratne enačbe sta tplusmn = plusmn(3radic
2minusradic
6) 4radic
36 ustrezni točki na krivulji pa
Yplusmn(a(3minusradic
3)3plusmna 4radic123)
Ker v koordinatah ekstremnih točk nastopajo poleg osnovnih aritmetičnih
operacij le kvadratni in bikvadratni (četrti) koreni so te točke konstruk-
tibilne
Cisoida
Spoznali smo enega od načinov pridobivanja novih ravninskih krivulj iz
danih to je z nožišči izbrane točke na tangentah dane krivulje Krivulji
s tem priredimo nožiščno krivuljo glede na izbrano točko Drug tak pre-
prost način kako iz znanih krivulj dobimo nove je cisoidni način Kako
pa ta poteka
Denimo da sta znani krivulji K1 in K2 ter točka O ki ležijo v isti
ravnini Pri tem sta K1 in K2 taki krivulji da vsaka premica p skozi O
ki seka K1 v neki točki T1 seka tudi K2 recimo v točki T2 (slika 18) Za
vsak T1 označimo na p točko T tako da veljaETHOT =
ETHETHT1T2 Ko T1 potuje po
K1 T opiše krivuljo C ki jo imenujemo cisoida krivulj K1 in K2 glede na
točko O Definicije take cisoide se nekoliko razlikujejo od vira do vira
36
Slika 18 Krivulja C je cisoida krivulj K1 in K2 glede na točko O
Dioklova cisoida s katero rešimo problem podvojitve kocke je cisoida
krožnice x2 + y2 = ax in premice x = a glede na koordinatno izhodišče O
Več o cisoidah in njihovi uporabi je napisanega na primer v [8]
Krivulja K je povezana tudi s polkubično ali semikubno ali Neilovo
parabolo poimenovano po Williamu Neilu (1637ndash1680) Parametrični
enačbi (3) lahko zapišemo v vektorski obliki v standardni bazi kot razliko
kolinearnih vektorjev
r(t) = (x(t)y(t)) =ETHOT = (a(1minus t2)at(1minus t2)) = (aat)minus (at2at3)
Vektor r1(t) = (aat) = (a0)+at(01) je enačba premice x = a v parametrični
obliki vektor r2(t) = (at2at3) pa polkubične parabole ki ima enačbo ay2 =
x3 in ost v točkiO Parameter t geometrijsko pomeni tangens naklonskega
kota premice OA (slika 13)
Premica y = tx poteka skozi koordinatno izhodišče O in seka premico
x = a v točkiA(aat) zato jeETHOA = r1 Ista premica seka polkubično parabolo
P ki ima enačbo ay2 = x3 v točki P (at2at3) tako da jeETHOP = r2 S tem je
ETHPA =
ETHOAminus
ETHOP = r1minus r2 = r To pomeni da je r =
ETHOT =
ETHOAminus
ETHOP Potemtakem
je krivulja K cisoida polkubične parabole P z enačbo ay2 = x3 in premice
37
Slika 19 De Slusova perla K kot cisoidna krivulja
x = a glede na točko O (slika 19)
Neilova parabola in ločna dolžina
Neilova ali polkubična parabola ay2 = x3 je bila v zgodovini matematike
pomembna kot ena prvih krivulj za katero so znali izračunati ločno dolžino
Prav prvi je to znal John Wallis (1616ndash1703) leta 1657
Denimo da nas zanima ločna dolžina `(b) te krivulje nad intervalom
[0b] (slika 20) Znano je da lahko uporabimo formulo za ločno dolžino
krivulje ki je dana v eksplicitni obliki
`(b) = intb
0
radic
1+yprime2dx
Pri tem je y = f (x) enačba krivulje in yprime = f prime(x) V našem primeru je y =
38
Slika 20 Neilova ali polkubična parabola
f (x) = plusmnradicx3a Kratek račun nam da yprime2 = 9x(4a) in
`(b) = intb
0
radic
1+9x4adx
Z uvedbo nove integracijske spremenljivke u z relacijo u2 = 1 + 9x(4a)
dobimo
`(b) =8a9 int
c
1u2du =
8a27
(c3 minus1)
pri čemer je c =radic
1+9b(4a)
Leibnizeva izohrona je krivulja po kateri se je leta 1687 vprašal G W
Leibniz Poiskati je treba v navpični ravnini krivuljo po kateri se brez
trenja giblje točkasta masa ki je podvržena konstantnemu težnostnemu
polju tako da je navpična komponenta njene hitrosti ves čas konstantna
Nalogo je prvi rešil C Huygens nizozemski astronom fizik in matema-
tik znan tudi po odkritju Saturnovega satelita Titana in znamenitih Sat-
urnovih obročev ter po izdelavi prve ure na nihalo kar je bilo za tiste čase
velik napredek v merjenju točnega časa
39
Slika 21 Leibnizeva izohrona
Izhodišče O postavimo v najvišjo točko krivulje (slika 21) V tej točki
je horizontalna hitrost premikajoče se mase m enaka 0 Naj bo v0 njegova
navpična hitrost navzdol Os y je vodoravna os x pa usmerjena navz-
dol Potencialno energijo mase računamo nad izbranim nivojem spodaj V
skladu z načelom ohranitve mehanske energije v času t in času 0 potem
velja12mv2(t)+mg(hminusx(t)) =
12mv2
0 +mgh
Pri tem je g težni pospešek Po poenostavitvi dobimo v2(t) = 2gx(t)+ v20
Vektor hitrosti ima v vsakem trenutku med seboj pravokotni komponenti
v(t) = (x(t) y(t)) za t = 0 pa v(0) = (v00) Upoštevamo da je ∣v(t)∣2 =
v2(t) = x2(t) + y2(t) in da je x(t) = v0 pa imamo sistem diferencialnih
enačb
x(t) = v0 y(t) =radic
2gx(t)
ki ga rešimo pri začetnih pogojih x(0) = y(0) = 0 in dobimo
x(t) = v0t y(t) =23
radic2gv0t3
40
Koordinati točk na dobljeni krivulji zadoščajo enačbi
ay2 = x3 a =9v2
0
8g
Pri dani konstanti a je v0 = (23)radic
2ag Iskana krivulja je torej Neilova
parabola Ime izohrona je dobila zato ker točkasta masa po vertikali
v enakih časih prepotuje enake razdalje V grščini beseda ἴσος pomeni
rdquoenakrdquo χρόνος pa rdquočasrdquo
Dolžina ` zanke krivulje K nas pripelje do zapletenega eliptičnega in-
tegrala za katerega zapišimo približno vrednost
` = 2aint1
0
radic9t4 minus2t2 +1dt ≐ 271559186a
Pač pa je dolžina loka ` četrtkubične parabole Ks ogrinjače premic s bolj
prijazna Za dolžino loka od točke D ki ustreza parametru t = 0 do točke
ki ustreza parametru t = α dobimo
` = 12aintα
0t2
radic1+ t2dt =
3a2
(α(1+2α2)radic
1+α2 minus ln(α +radic
1+α2))
Prav tako dolžina loka ` navadne parabole Kq ogrinjače premic q ne
dela težav Za dolžino loka od točke D ki ustreza parametru t = 0 do
točke ki ustreza parametru t = α dobimo
` = 2aintα
0
radic1+ t2dt = a(α
radic1+α2 + ln(α +
radic1+α2))
Za spremljajočo parabolo dobimo prav tako enostaven rezultat za ločno
dolžino od točke O do točke ki ustreza parametru t = α
` = intα
0
radic1+4t2dt =
a4(2α
radic1+4α2 + ln(2α +
radic1+4α2))
Nazadnje zapišimo še ločno dolžino polkubične parabole Kr
` = 6aintα
0tradic
1+ t2dt = 2a((1+α2)radic
1+α2 minus1)
41
Pri vseh zgornjih primerih je parameter t strmina premice p v prvotni
konstrukciji krivulje K
Ploščine in prostornine
Ploščina S lika ki ga omejuje zanka krivulje K je
S =2radica int
a
0xradicaminusxdx
Z uvedbo nove integracijske spremenljivke t z relacijo aminusx = t2 je
S =4radica int
radica
0t2(aminus t2)dt =
4radica int
radica
0(at2 minus t4)dt =
8a2
15
Lahko pa jo izrazimo tudi s splošno formulo ki smo jo izpeljali na začetku
razdelka S to formulo lahko izrazimo še prostornino V telesa ki ga pri
rotaciji okoli osi x opiše lik
V =πa int
a
0x2(aminusx)dx =
πa3
12
To je ravno polovica prostornine krogle s premerom a
Pač pa je izraz za ploščino S prime lika ki ga omejuje zanka krivulje Kprime bolj
zapleten izraz Uporabimo parametrični enačbi (4) in dobimo
S prime = int1
0(x(t)y(t)minus x(t)y(t))dt = 2a2
int
1
0
(1minus t2)3(1+2t2 minus3t4)(9t4 minus2t2 +1)2 dt
Če se zanesemo na računalniško računanje določenih integralov potem je
S prime =2a2
729(3(43πminus28)+52
radic2ln(1+
radic2))
kar je približno S prime ≐ 1059206796a2 Do enakega rezultata pridemo z
navidez enostavnejšo formulo
S prime = 2inta
0y(x)dx
42
toda drugim težjim integralom
S prime = 2int0
1y(t)x(t)dt = minus8a2
int
1
0
t2(1minus t2)3(3t2 +1)(9t4 +2t2 minus3)(9t4 minus2t2 +1)3 dt
Zakaj smo integrirali po parametru t od 1 do 0 Zato ker abscisa x narašča
od 0 do a ko t pada od 1 do 0 Ordinata y pa je pri tem nenegativna (glej
izraza (4))
Tudi izraz za prostornino V prime telesa ki ga pri rotaciji okoli osi x opiše
lik omejen s Kprime je navidez enostaven
V prime =πinta
0y2(x)dx
toda s parametrom t je zapleten a eksaktno izračunljiv
V prime =πint0
1y2(t)x(t)dt = 8πint
1
0
t3(t2 minus1)5(3t2 +1))(9t4 +2t2 minus3)(9t4 minus2t2 +1)4 dt
Za rezultat dobimo
V prime =2πa3
19683(431π
radic2+369+744ln2)
kar je približno V prime ≐ 08936800975a3
Naj bo s tem računanja integralov dovolj V nadaljevanju se bomo
posvetili nekaterim lažjim problemom
Tangenta
Pri krivuljah v koordinatnem sistemu Oxy so pomembni štirje dotikalni
elementi za posamezne točke T odsek na tangenti ∣TA∣ odsek na normali
∣T B∣ subtangenta ∣AT prime∣ in subnormala ∣BT prime∣ (slika 23) Izražajo se takole
∣TA∣ = ∣y
yprime
radic
1+yprime2∣ ∣T B∣ = ∣yradic
1+yprime2∣ ∣T primeA∣ = ∣y
yprime∣ ∣T primeB∣ = ∣yyprime∣
43
Slika 22 Ploščini likov omejenih z zankama krivulj K in Kprime
Pri tem pomeni yprime = f prime(x) če je enačba krivulje y = f (x) Točka T prime je pra-
vokotna projekcija točke T na abscisno os A je presečišče tangente na
krivuljo v točki T z osjo x B pa presečišče normale z osjo x Dotikalni
elementi so posebej definirani tudi za krivulje v polarnih koordinatah
Slika 23 Dotikalni elementi krivulje
De Sluse je za algebrsko krivuljo f (xy) = 0 po svoje našel izraz za sub-
tangento ts to je pravokotno projekcijo odseka na tangenti
44
na os x V današnji pisavi se subtangenta izraža v obliki
ts = minusy
partfparty (xy)
partfpartx (xy)
Za krivuljo K je f (xy) = ay2 minusx2(aminusx) = 0 in
ts =2x(xminusa)3xminus2a
Lotimo se še konstrukcije tangente t in normale n naK v točki T0(x0y0) ne
O ki enolično določa točko A(aay0x0) kot presečišče premice p skozi O
in T0 s premico x = a Skozi A povlecimo vzporednico nprime z normalo n na K
v točki T0 Normala ima smerni koeficient kn = tsy0 oziroma
kn =
partfparty (x0y0)
partfpartx (x0y0)
=2ay0
x0(3x0 minus2a)
Premica nprime ima enačbo
y minusay0
x0=
2ay0
x0(3x0 minus2a)(xminusx0)
in preseka abscisno os v točki T1(x10) za katero po krajšem računu do-
bimo x1 = 2a minus 3x02 Točko T1 in premico nprime zlahka geometrijsko kon-
struiramo Iskana tangenta t v točki T0 je pravokotna na nprime normala n pa
vzporedna z nprime (slika 24)
Inverzija krivulje K na krožnici
Po navadi za ravninske krivulje pogledamo še njihove inverzne slike na
krožnici Inverzija ali zrcaljenje na krožnici x2 + y2 = r2 je ravninska pres-
likava ι definirana s predpisom
ι ∶ (xy)↦ (r2x
x2 +y2 r2y
x2 +y2)
45
Slika 24 Tangenta in normala na krivuljo K
S spreminjanjem polmera r krožnice dobimo med seboj podobne krivulje
Če zrcalimo na krožnici x2 + y2 = a2 krivuljo K ki ima implicitno enačbo
(2) dobimo krivuljo Klowast ki ima enačbo
y4 = minusx3(aminusx)
ki je formalno oblike (2) zam = 4n = 3p = 1 in k = minus1 Dobljena krivuljaKlowast
je simetrična glede na os x ima dve veji abscisa na njej doseže ekstremni
vrednosti v točkah O(00) in D(a0) Ima pa kot bomo videli tudi dve
asimptoti y = xminusa4 in y = minusx+a4 (slika 25)
Krivuljo Klowast se da lepo parametrizirati s parametrom τ če v njeno
enačbo y4 = minusx3(aminusx) vstavimo y = τx Dobimo
x(τ) =a
1minusτ4 y(τ) =aτ
1minusτ4
To sta parametrični enačbi krivulje Klowast
Ko τ uarr minus1 x(τ)rarr minusinfin in y(τ)rarr +infin ko τ darr minus1 x(τ)rarr +infin in y(τ)rarr minusinfin
ko τ uarr +1 x(τ)rarr +infin in y(τ)rarr +infin ko τ darr +1 x(τ)rarr minusinfin in y(τ)rarr minusinfin
46
Slika 25 Inverzna slika Klowast krivulje K
Konstanti k in n poševne asimptote y = kx + n krivulje Klowast dobimo s
formulama
k = limxrarrplusmninfin
y
x n = lim
xrarrplusmninfin(y minus kx)
V našem primeru je
k = limxrarrplusmninfin
y
x= limτrarrplusmn1
τ = plusmn1 n = a limτrarrplusmn1
τ ∓11minusτ4 = ∓
a4
Poševni asimptoti sta torej premici y = plusmn(xminusa4)
Obnašanje krivulje v okolici točke D utemeljimo če zapišemo impli-
citno obliko krivulje nekoliko drugače
y4 = (xminusa)x3 = (xminusa)(a+(xminusa))3 = a3(xminusa)+3a2(xminusa)2+3a(xminusa)3+(xminusa)4
47
Slika 26 Krivulja Klowast in približka v okolici točk O in D
Za x ki je zelo blizu a prevlada na desni prvi člen tako da je y4 asymp a3(xminusa)
Razlika xminusa se torej obnaša približno tako kot bikvadrat ordinate y
V okolici točke O kjer so abscise negativne iz istega razloga velja y4 asymp
minusax3 zato se tam krivulja obnaša približno tako kot četrtkubična parabola
(slika 26)
Inverzija krivulje Kprime na krožnici
Na krožnici x2 + y2 = a2 zrcalimo še krivuljo Kprime nožiščno krivuljo krivulje
K glede na točko O Dobimo dvodelno krivuljo Kprimelowast kakršno vidimo na
sliki 27
Enačba nove krivulje v implicitni obliki je
4(x2 minusy2)2 minus4ax(x2 minus9y2)minus27a2y2 = 0
48
Slika 27 Inverzna slika Kprimelowast krivulje Kprime
Krivulja je algebrska četrte stopnje je simetrična glede na os x ima ost
z vodoravno tangento v točki O skozi točko D pa poteka v blagem loku
Natančneje ugotovimo približni potek krivulje v okolici teh dveh točk če
v zgornji enačbi obdržimo prevladujoče člene V okolici točke O kjer so
abscise negativne je ay2 asymp minus4x327 torej približno tako kot polkubična
parabola V okolici točke D(a0) je y2 asymp minus4a(x minus a) kar pomeni da se
krivulja obnaša približno tako kot parabola
Pritisnjeni krožnici na K
Pritisnjeni krožnici v točki O na krivuljo K sta inverzni sliki asimptot
krivulje Klowast na krožnici x2 + y2 = a2 Preprost račun pokaže da se asimp-
toti krivulje Klowast z inverzijo ι preslikata v krožnici x2 + y2 plusmn4ay minus4ax = 0 ki
imata središči v točkah Splusmn(2aplusmn2a) in polmer 2aradic
2 Sekata se pavokotno
v točkah O in M(4a0) Inverzija ι namreč ohranja kote (slika 28)
49
Slika 28 Pritisnjeni krožnici na krivuljo K v točki O
Ukrivljenost κ(t) krivulje K v točki ki ustreza parametru t brez težav
izračunamo iz njenih parametričnih enačb (3)
κ(t) =2(3t2 +1)
a(1minus2t2 +9t4)32
V posebnem primeru je v točki O to se pravi za t = plusmn1 ukrivljenost enaka
κ(plusmn1) = 1(2aradic
2) zato sta v O polmera pritisnjenih krožnic 1κ(plusmn1) =
2aradic
2 kar se seveda ujema z rezultatom dobljenim z inverzijo na krožnici
Toksoida
Videli smo da je inverzna slika krivulje K krivulja Klowast ki ima enačbo y4 =
minusx3(aminusx) ki je formalno oblike (2) zam = 4n = 3p = 1 in k = minus1 Prav tako
je krivulja ay2 = minusx2(aminus x) ki jo dobimo iz enačbe ay2 = x2(aminus x) krivulje
K če zamenjamo aminus x z x minus a formalno oblike (2) za m = 2n = 2p = 1 in
50
k = minus1a Krivuljo označimo jo s T ki ima enačbo
ay2 = x2(xminusa)
je nemški amaterski matematik samouk in izumitelj Diedrich (tudi Diede-
rich) Uhlhorn (1764ndash1837) imenoval rdquotoksoidardquo V svojem delu [13] obrav-
nava več krivulj in za nekatere tudi opiše mehanske naprave s katerimi
se jih da risati pa tudi njihovo uporabo pri reševanje enačb Beseda rdquotok-
soidardquo izvira iz dveh grških τόξον kar pomeni rdquolokrdquo (kot orožje) pa tudi
rdquopuščicardquo in εἶδος kar med drugim pomeni rdquooblika podobardquo D Uhlhorn
je imenoval krivuljo v nemščini rdquoBogenlinierdquo ker nemški samostalnik rdquoBo-
genrdquo pomeni prav tako rdquolokrdquo Iz besede τόξον smo dobili tudi besede ki
so povezane s strupi kajti bojne puščice so bile često zastrupljene
Slika 29 Toksoida
Toksoida ima tudi izolirano točkoO(00) saj njeni koordinati zadoščata
implicitni enačbi
Iz implicitne enačbe toksoide dobimo z zamenjavo y = tx njeni parametri-
čni enačbi
x(t) = a(1+ t2) y(t) = at(1+ t2) (5)
ki pa ne vključujeta izolirane točke O
51
Toksoida je algebrska krivulja tretje stopnje simetrična glede na os x
ki jo preseka za t = 0 v točki D(a0) kjer ima navpično tangento Krivulja
na prvi pogled ni nič posebnega a že D Uhlhorn je pokazal kako se kon-
struira njene posamezne točke in kako se z njo podvoji kocko
Slika 30 Konstrukcija točk toksoide
Do točke T na toksoidi pridemo takole V koordinatnem sistemu Oxy
za pozitiven a določimo točko D(a0) in skoznjo konstruiramo pravokot-
nico na os x torej premico x = a (slika 30) Na tej premici izberemo točko
A ki jo bomo spreminjali da bomo dobili krivuljo Skozi O in A nato
načrtamo premico p v A pa nanjo pravokotnico q ki seka abscisno os v
točki B V B postavimo na abscisno os pravokotnico r ki preseka premico
p v točki T Ko A potuje po premici x = a točka T opiše toksoido T brez
izolirane točke O
Da res dobimo toksoido T je treba samo zapisati enačbi y = tx premice
p in y = minus(x minus a)t + at premice q ter točki A(aat) in B(a(1 + t2)0) ter
T (a(1+t2)at(1+t2)) Koordinati točke T pa res dasta paramatrični enačbi
52
toksoide
Slika 31 Konstrukcija srednjih geometrijskih sorazmernic s toksoido
Iz podobnih trikotnikov ODA OAB in OBT na sliki 30 sledi relacija
∣OD ∣
∣OA∣=∣OA∣
∣OB∣=
∣OB∣∣OT ∣
kar pomeni da sta ∣OA∣ in ∣OB∣ srednji geometrijski sorazmernici daljic
∣OD ∣ = a in ∣OT ∣ = b Zato lahko izrazimo ∣OA∣ =3radica2b in ∣OB∣ =
3radicab2 na isti
način kot pri (3)
Če imamo že načrtano toksoido T potem srednji geometrijski sorazmer-
nici za a in b gt a dobimo tako da poiščemo presečišče T krožnice s sredi-
ščem v O skozi točko C(b0) in na zgoraj opisan način poiščemo premice
pq in r ter točki A in B (slika 31) Za b = 2a na ta način rešimo problem
podvojitve kocke ∣OA∣ = a 3radic
2
Ukrivljenost κ(t) toksoide T v točki ki ustreza parametru t brez težav
53
izračunamo iz njenih parametričnih enačb (5)
κ(t) =2(3t2 minus1)
a(1+10t2 +9t4)32
Opazimo da ukrivljenost menja predznak pri t = plusmn1radic
3 kar nam da točki
Pplusmn(4a3plusmn4aradic
39) v katerih ima T prevoja s tangentama s smernima koe-
ficientoma plusmnradic
3 Tangenti oklepata z osjo x kota plusmnπ3 Pritisnjena krožnica
v točki D ki ustreza t = 0 ima za polmer 1∣κ(0)∣ = a2 in središče v točki
S(3a20) (slika 32)
Slika 32 Prevoja toksoide T in pritisnjena krožnica v točki D
Prevoja sta konstruktibilna pri čemer si lahko pomagamo z vesico pis-
cis nad daljico OD Njeni točki Vplusmn sta narazen za aradic
3 premici skozi O
in Vplusmn pa določata smeri tangent v prevojih Prav tako je konstruktibilna
točka S V okolici točk D in Pplusmn je ujemanje toksoide s pritisnjeno krožnico
v D in tangentama v prevojih Pplusmn zelo dobro
54
Enačba toksoide T v polarnih koordinatah in ϕ je
(ϕ) =a
cos3ϕ
kar sledi iz njene implicitne oblike
a(x2 +y2) = x3
Pri tem je treba le upoštevati zvezi x2 +y2 = 2 in x = cosϕ
Polarna oblika je zelo primerna za študij inverzije na krožnici s središčem
v točki O in polmerom R Če je namreč lowast polarni polmer invertirane
krivulje mora veljati relacija
(ϕ)lowast(ϕ) =R2
Če izberemo R = a dobimo za inverzno sliko toksoide T krivuljo (slika 33)
T lowast ki ima nasledno enačbo v polarnih koordinatah
lowast(ϕ) = acos3ϕ
Slika 33 Inverzna slika T lowast toksoide T
55
Iz polarne oblike krivulje T lowast hitro izpeljemo še njeno implicitno enačbo
(x2 +y2)2 = ax3
Torej je T lowast algebrska krivulja četrte stopnje
Ploščino S lika ki ga ograjuje krivulja T lowast izračunamo po znani for-
muli
S = 2 sdot12 int
π2
0lowast2(ϕ)dϕ = a2
int
π2
0cos6ϕdϕ = a2 sdot
56
sdotπ2=
5πa2
32
Krivulja T lowast je simetrična glede na os x v točkah O in D ima navpični
tangenti največji odklon od osi x pa doseže v točkah Yplusmn(9a16plusmn3aradic
316)
kjer ima vodoravni tangenti in sicer pri polarnih kotih plusmnπ6
De Slusove pomnoževalke hiperkock
Podvojitev kocke je kot vemo klasični grški geometrijski problem ki se ga
ne da rešiti evklidsko to je samo z neoznačenim ravnilom in šestilom kar
so dokazali šele v 19 stoletju Problem zahteva določiti rob kocke ki ima
prostornino enako dvakratniku prostornine dane kocke To pomeni da
je treba za dano daljico a konstruirati tako daljico b za katero je b = a 3radic
2
Problem podvojitve kocke so Grki znali rešiti na več načinov Eden od njih
je možen s posebno ravninsko krivuljo z Dioklovo cisoido (več na primer
v [7])
Povsem smiselno se je vprašati kako bi pomnožili s faktorjem s gt 0
poljubno r-razsežno hiperkocko z robom a Njena prostornina je ar zato
je b = a rradics rob hiperkocke katere prostornina je s-kratnik prostornine
hiperkocke z robom a Dva primera sta trivialna Za r = 1 imamo daljico
56
njena rdquoprostorninardquo je kar njena dolžina a za r = 2 pa kvadrat čigar rdquopros-
torninardquo je kar njegova ploščina a2 Za r = 3 imamo opraviti z običajno
kocko z običajno prostornino a3 V prvih dveh primerih množenje s fak-
torjem s ni problematično saj s problemom lahko geometrijsko rešimo s
podobnimi trikotniki in z višinskim izrekom v pravokotnem trikotniku
Za r ge 4 si r-razsežno hiperkocko teže predstavljamo ker je ne moremo
realizirati z običajno geometrijo To pa ni ovira pri pomnožitvi take hiper-
kocke s številom s ker moramo znati samo njen rob a geometrijsko pom-
nožiti s številom rradics kar pa lahko naredimo v običajni ravnini V mate-
matični analizi je r-razsežna hiperkocka z robom a na primer kar r-kratni
kartezični produkt intervala [minusa2a2] s samim seboj to je množica
[minusa2a2]r = (x1x2 xr) isinRr ∶ ∣x1∣ le a2 ∣x2∣ le a2 ∣xr ∣ le a2
Oglejmo si de Slusove perle (2) z eksponenti mn =mminus 1 in p = 1 fak-
torjem k = 1 ter a gt 0 pri čemer je m sodo število to se pravi krivulje z
implicitno enačbo
ym = xmminus1(aminusx) (6)
oziroma xm + ym = axmminus1 Pri danem m označimo ustrezno krivuljo s Hm
Med njimi je tudi stara znanka x2 + y2 = ax krožnica s polmerom a2
in središčem v točki S(a20) Skupne vsem krivuljam so točke O(00)
Cplusmn(a2plusmna2) D(a0) ter navpični tangenti v O in D Krivulje Hm so za-
ključene in simetrične glede na os x in se dajo lepo parametrizirati z y = tx
Za vsako dobimo parametrično enačbo
x(t) =a
1+ tm y(t) =
at1+ tm
(7)
Najbolj se taka krivulja oddalji od abscisne osi za t = 1 mradicmminus1 v točkah
Yplusmn(a(mminus1)mplusmnam mradic
(mminus1)mminus1) Za t = 0 dobimo točko D za ∣t∣rarrinfin pa
57
se krivulja bliža točki O Slika 34 kaže nekaj primerov
Slika 34 Nekaj krivulj Hm
Naj bo s poljubno pozitivno število in A(0as) točka na osi y Premica
skozi A in D preseka krivuljo Hm v točkah D(a0) in B(x0y0) za katero
potrebujemo samo razmerje y0x0 Na sliki 35 je izbran eksponent m = 4
Premica skozi A in D ima enačbo xa+sya = 1 iz katere izrazimo aminusx = sy
in vstavimo v enačbo (6) Dobimo ym = ysxmminus1 Ker iščemo točko B s
pozitivno ordinato lahko z y krajšamo in dobimo y0x0 =mminus1radics
Premica skozi O in B ima enačbo y = y0xx0 in preseka premico x = a
v točki C(aay0x0) oziroma C(aa mminus1radics) Zato je ∣DC∣ = ∣OD ∣ mminus1
radics) V
primeru m = 4 in s = 2 je ∣DC∣ = ∣OD ∣3radic
2) kar pomeni da se nam je pos-
rečilo podvojiti trirazsežno kocko Za s = 3 kocko potrojimo za s = 4
početverimo itd Še več zam = 6 in s = 2 podvojimo 5-razsežno hiperkocko
58
za s = 3 jo potrojimo za s = 4 početverimo itd
Slika 35 Krivulja H4 in pomnožitev roba trirazsežne kocke
Lihih m nam ni treba posebej obravnavati ker krivulje Hm ne bi bile
prave de Slusove perle Poleg tega bi tedaj bil mminus 1 sodo število denimo
m minus 1 = 2αq z naravnim α in lihim q Korenjenje se potem da izvesti z
α-kratnim kvadratnim korenjenjem in enim q-tim korenjenjem s krivuljo
Hq+1 kakor smo zgoraj opisali
Drug način za pomnožitev hiperkock poteka s cisoidami Cm krivuljHm
in premice x = a Pri parametru t premica y = tx preseka premico x = a
v točki C(aat) točka B pa ima tedaj koordinati dani z parametričnima
enačbama (7) S koordinatami točk B in C imamo takoj
ETHBC = (aminus
a1+ tm
at minusat
1+ tm) = (
atm
1+ tmatm+1
1+ tm)
59
Slika 36 Nekaj krivulj Cm
Da bo točka T na cisoidi Cm mora veljati zvezaETHOT =
ETHBC Potemtakem ima
Cm parametrični enačbi
x(t) =atm
1+ tm y(t) =
atm+1
1+ tm (8)
Ker je t = yx dobimo še implicitno enačbo krivulje Cm
xm+1 = ym(aminusx) (9)
oziroma x(xm+ym) = aym Krivulje so za sodem definirane nad intervalom
60
[0a) so simetrične glede na os x imajo za asimptoto premico x = a in
potekajo skozi koordinatno izhodišče O in točki Cplusmn(a2plusmna2) Asimptoti
se krivulja bliža ko ∣t∣ rarr infin V točki O pri t = 0 imajo ost z vodoravno
tangento Za m = 2 dobimo staro znanko Dioklovo cisoido
Slika 37 Krivulja C4 in pomnožitev roba 5-razsežne hiperkocke
Izberimo sedaj na ordinatni osi točko A(0as) pri čemer je s pozi-
tivno število in vzemimo premico skozi točki A in D (slika 37) Ta ima
enačbo xa + y(as) = 1 iz katere izrazimo a minus x = ys Premica preseka
cisoido Cm v točki M(x0y0) s pozitivno ordinato Iz enačb premice skozi
A in D in (9) dobimo y0x0 = m+1radics Premica skozi točki O in M ima
enačbo y = y0xx0 in preseka premico x = a v točki E(aa m+1radics) Torej velja
61
zveza ∣DE∣ = ∣OD ∣ m+1radics kar pomeni da smo našli rob (m + 1)-razsežne
hiperkocke ki ima za prostornino s-kratnik prostornine dane (m + 1)-
razsežne hiperkocke
Naj bo Sm ploščina lika ki ga omejuje krivulja Hm in Qm ploščina
neomejenega lika ki ga omejuje krivulja Cm z asimptoto Ni ju težko
izraziti
Pm =a2(mminus1)πm2 sin π
m Qm =
a2(m+1)πm2 sin π
m
Nadalje naj bo Vm prostornina telesa ki nastane z rotacijo krivulje Hm
okoli osi x Wm pa prostornina neomejenega telesa ki nastane z rotacijo
krivulje Cm okoli osi x Prav tako ju ni težko izraziti
Vm =2a3(mminus1)(mminus2)π2
3m3 sin 2πm
Wm =2a3(m+1)(m+2)π2
3m3 sin 2πm
Ploščine in prostornine so poleg drugega zanimale že matematike v
17 stoletju zlasti C Huygensa Izračunajmo prostornino telesa Um ki
nastane z rotacijo lika med cisoido in njeno asimptoto okoli te asimptote
(slika 38) Uporabili bomo sodobne zapise in Eulerjevi funkciji B in Γ ki
ju C Huygens še ni mogel poznati Presek nastalega telesa na višini y je
krog s polmerom aminusx in ploščino π(aminusx)2 Upoštevamo še simetrijo lika
glede na os x uporabimo parametrično obliko (8) in nastavimo integral
Um = 2πintinfin
0(aminusx(t))2y(t)dt = 2πa3
int
infin
0
tm(tm +m+1)(1+ tm)4 dt
ki ga lahko izrazimo v obliki
Um = 2πa3(I2 + (mminus1)I3 minusmI4)
pri čemer je
Ik = intinfin
0
dt
(1+ tm)k
62
ki ima za m ge 2 in k ge 1 končno vrednost S substitucijo u = 1(1 + tm)
dobimo
Ik =1m int
1
0ukminus1minus1m(1minusu)1mminus1du =
1m
B(kminus1m1m) =Γ(k minus1m)Γ(1m)
mΓ(k)
Na koncu je rezultat zelo preprost
Um =2π2a3(m2 minus1)
3m3 sin πm
Prve tri prostornine so
U2 =π2a3
4 U4 =
5radic
2π2a3
32 U6 =
35π2a3
162
Slika 38 Telo nastalo z zasukom lika med krivuljo C2 in njeno asimptoto
okoli te asimptote
Izračunajmo prostornino telesa Um ki nastane z rotacijo lika med cisoido
in njeno asimptoto okoli osi y (slika 39) Presek nastalega telesa na višini y
63
je krožni kolobar z notranjim polmerom x in zunanjim polmerom a ki ima
ploščino π(a2minusx2) Upoštevamo še simetrijo lika glede na os x uporabimo
parametrično obliko (8) in nastavimo integral
Um = 2πintinfin
0(a2 minusx2(t))y(t)dt = 2πa3
int
infin
0
tm(tm +m+1)(2tm +1)(1+ tm)4 dt
ki ga lahko izrazimo z zgoraj vpeljanimi integrali Ik v obliki
Um = 2πa3(2I1 + (2mminus3)I2 minus (3mminus1)I3 +mI4)
Na koncu dobimo za rezultat
Um =2π2a3(m+1)(2m+1)
3m3 sin πm
Prve tri prostornine so
U2 =5π2a3
4 U4 =
15radic
2π2a3
32 U6 =
91π2a3
162
V 17 stoletju so se zanimali tudi za težišča homogenih likov in teles
Lik ki ga omejuje krivulja Hm ima težišče na abscisni osi oddaljen za xT
od osi y Da bi lahko poiskali xT moramo najprej izračunati za ta lik
moment
Mm = 2inta
0xy dx = 2int
0
infinx(t)y(t)xdt = 2a3mint
infin
0
tm
(1+ tm)4 dt
Izrazimo z integrali Ik in dobimo
Mm = 2a3m(I3 minus I4) =πa3(mminus1)(2mminus1)
3m3 sin πm
Abscisa težišča lika je potem kvocient momenta Mm in ploščine Sm
xT =(2mminus1)a
3m
64
Slika 39 Telo nastalo z zasukom lika med krivuljo C2 in njeno asimptoto
okoli osi y
Lik omejen s krivuljo Cm ima težišče na abscisni osi oddaljen za xC
od osi y Da bi poiskali xC uporabimo kar PaposndashGuldinovo pravilo za
prostornino vrtenine
2πxC sdotQm = Um
kjer je Qm ploščina lika ki ga rotiramo okoli osi y Rezultat je proti vsem
pričakovanjem zelo preprost
xC =(2m+1)a
3m
Poznoantični matematik Papos iz Aleksandrije (290ndash350) v grščini Πάπ-
πος ὁ Αλεξανδρεύς v latinščini Pappus je pomemben ker je zbral prak-
tično vse dotakratno matematično znanje Grkov in dodal še marsikaj svo-
65
jega Njegovo najpomembnejše delo je rdquoZbirkardquo v grščini Συναγωγή Uk-
varjal se je tudi s klasičnimi grškimi geometrijskimi problemi
Jezuit Paul Guldin (1577ndash1643) je bil švicarski matematik in astronom
profesor matematike na Dunaju in v Gradcu Pred tem je študiral v Rimu
Skupaj s Paposom je znan
po pravilih za izračun prostornine rotacijskega telesa in površine rotacij-
ske ploskve
Slika 40 Telo nastalo z zasukom lika ki ga omejuje H4 okoli osi y
ProstorninaXm vrtenine ki nastane z rotacijo lika omejenega s krivuljo
Hm okoli osi y je po PaposndashGuldinovem pravilu za prostornino enaka
Xm = 2πxT sdot Pm = 2π(2mminus1)a
3msdota2(mminus1)πm2 sin π
m=
2π2a3(2mminus1)(mminus1)3m3 sin π
m
Slika 40 kaže vrtenino za primer krivulje H4 Podobne slike bi dobili tudi
za druge Hm
Če isti lik rotiramo okoli premice x = a tangente na krivuljo Hm v
točki D dobimo vrtenino s prostornino Ym ki jo izračunamo prav tako
66
po PaposndashGuldinovem pravilu za prostornino in dobimo
Ym = 2π(aminusxT ) sdot Pm = 2π(m+1)a
3msdota2(mminus1)πm2 sin π
m=
2π2a3(m2 minus1)3m3 sin π
m
Opazimo da je prostornina Ym enaka prostornini Um telesa ki nastane
z rotacijo lika med krivuljo Cm in njeno asimptoto okoli te asimptote
Dokler ni bil razvit infinitezimalni račun kakršnega poznamo danes
so računali ploščine težišča prostornine in površine za vsak primer pose-
bej Veliko so se v 17 stoletju pa tudi že prej znani matematiki ukvarjali
s cikloido na primer N Kuzanski M Mersenne G Galilei G P de Rober-
val C Wren G Cardano B Pascal I Newton G W Leibniz C Huygens
je neko njeno lastnost uporabil pri izdelavi ure na nihalo
Evdoksova kampila
Oglejmo si naslednjo konstrukcijo točk krivulje V točki D(a0) pri čemer
je a gt 0 postavimo pravokotnico p na abscisno os Na p izberemo točko
A ki jo bomo kasneje premikali po tej premici Skozi O in A načrtamo
premico q in skozi A krožnico s središčem v koordinatnem izhodišču O
Krožnica preseka abscisno os v točkah B in Bprime ki sta simetrični glede na
točko O V B in Bprime konstruiramo pravokotnici r in rprime na os x ki presekata
p v točkah T in T prime ki sta tudi simetrični glede na točko O Ko teče točka
A po premici p opišeta T in T prime dvodelno krivuljo ki so jo poimenovali
rdquoEvdoksova kampilardquo Točka T opiše njeno desno vejo T prime pa levo Krivulja
je očitno simetrična glede na obe koordinatni osi (slika 41)
Enačbo desne veje dobljene Evdoksove kampile je najlaže najprej izraz-
iti v polarnih koordinatah nato pa še v implicitni obliki v pravokotnih
67
Slika 41 Konstrukcija točk Evdoksove kampile
kartezičnih koordinatah Za polarni kot ϕ vzamemo naklonski kot pre-
mice q za polarni radij pa razdaljo ∣OT ∣ (slika 41) Najprej očitno veljata
zvezi ∣OA∣ = ∣OD ∣cosϕ = acosϕ in = ∣OT ∣ = ∣OB∣cosϕ = ∣OA∣cosϕ iz
katerih dobimo = acos2ϕ tako da je nazadnje pri pogoju minusπ2 ltϕ ltπ2
polarna enačba desne veje Evdoksove kampile
(ϕ) =a
cos2ϕ (10)
Obe veji krivulje imata implicitno obliko
a2(x2 +y2) = x4 (11)
ki jo dobimo iz polarne oblike z upoštevanjem zvez 2 = x2 + y2 in cosϕ =
x Krivulja v obliki (11) ima izolirano točko O(00) ki je posledica del-
jenja z ki je lahko tudi enak 0 Evdoksova kampila je algebrska krivulja
četrte stopnje
Z Evdoksovo kampilo se da podvojiti kocko Načrtamo krožnico s
središčem v točkiD in polmerom a Njena enačba je x2+y2 = 2ax Vstavimo
68
Slika 42 Podvojitev kocke z Evdoksovo kampilo
2ax namesto x2 + y2 v (11) in dobimo enačbo x4 minus2a3x = x(x3 minus2a3) = 0 ki
ima realni rešitvi x0 = 0 in x1 = a 3radic
2 V prvem kvadrantu se krožnica in
Evdoksova kampila sekata v točki T (a 3radic
2aradic
2 3radic
2minus 3radic
4) kar pomeni da
ima točka T absciso
∣T0T ∣ = b = a 3radic2
Kocka z robom b ima prostornino b3 = 2a3 torej dvakratnik prostornine
kocke z robom a
Grška beseda καμπύλος pomeni rdquokriv zavit upognjenrdquo v ženski ob-
liki καμπύλη beseda γραμμή pa rdquočrta potezardquo Polno ime krivulje je v
grščini καμπύλη γραμμή torej rdquokriva črtardquo na kratko so jo poimenovali kar
rdquokampilardquo kateri so dodali še Evdoksovo ime Evdoks iz Knida (408ndash355
pnš) Εὔδοξος ὁ Κνίδιος je bil starogrški matematik in astronom Bil je
Arhitov učenec v Tarentu grško Τάρας in Platonov na Akademiji v Ate-
nah Obiskal je tudi Sicilijo in Egipt Kasneje je ustanovil svojo šolo v
Kiziku grško Κύζικος ob Mramornem morju ali Propontidi grško Προ-
ποντίς Pomemben je njegov doprinos v teoriji razmerij in nesoizmerljivih
količin kar je uporabil Evklid Εὐκλείδης v svojih Elementih Στοιχεῖα
69
Grška beseda εὔδοξος pomeni med drugim rdquosloveč slaven ugledenrdquo
V astronomiji je Evdoks zagovarjal geocentrični svetovni sistem in za
pojasnitev gibanja planetov in Lune uvedel sistem koncentričnih sfer ki
se vrtijo ena v drugi S tem v zvezi je uvedel še eno krivuljo ki jo poznamo
pod imenom rdquoEvdoksova hipopedardquo
Problem podvojitve kocke je na svojevrsten način s torusom valjem
in stožcem rešil pitagorejec in vojaški poveljnik Arhitas iz Tarenta v južni
Italiji grško Αρχύτας ὁ Ταραντίνος rojen med letoma 435 in 410 umrl
pa med letoma 360 in 350 pnš Morda je Evdoks Arhitovo prostorsko
rešitev problema podvojitve kocke poenostavil na reševanje v ravnini in
tako prišel do svoje kampile Dokazano to ni nikjer ve se le da mu je
rešitev uspelo najti z neko krivuljo Način reševanja pa je podoben reše-
vanju z Uhlhornovo toksoido ki ima tudi podobno enačbo v polarni obliki
(ϕ) = acos3ϕ
Tako Uhlhornova toksoida kot Evdoksova kampila spadata v skupino
Clairautovih krivulj = acosnϕ ali = asinnϕ Če je n racionalno število
je Clairautova krivulja algebrska Alexis Claude Clairaut (1713ndash1765) je
bil francoski matematik in astronom
Evdoksovo kampilo brez izolirane toke O parametriziramo kar s po-
larnim kotom
x(ϕ) =a
cosϕ y(ϕ) =
asinϕcos2ϕ
Njena ukrivljenost κ(ϕ) se izraža v obliki
κ(ϕ) =cos3ϕ(3sin2ϕ minus1)
a(3sin2ϕ +1)32
Ukrivljenost spremeni predznak pri kotu ϕ za katerega je 3sin2ϕ minus1 = 0
V takih točkah ima krivulja prevoje Evdoksova kampila ima štiri in sicer
70
Slika 43 Desna veja Evdoksove kampile prevoja in pritisnjena krožnica
v točkah (plusmnaradic
62plusmnaradic
32) Strmini tangent v teh točkah sta plusmn2radic
2 Os x
presekata za desno vejo v točki G(3aradic
680) Krivinski polmer v točkah
D inDprime je enak a Središče pritisnjene krožnice v točkiD je v točki S(2a0)
Približno ujemanje krivulje tangent v prevojih Pplusmn in pritisnjene krožnice v
temenu D kaže slika 43 Ujemanje bi lahko izkoristili za približno podvo-
jitev kocke Če namesto Evdoksove kampile vzamemo kar njeno tangento
y = 2radic
2(xminusaradic
62)+aradic
32
v prevoju v prvem kvadrantu in poiščemo absciso ξ presečišča s krožnico
x2 +y2 = 2ax dobimo
ξa=
118
radic
24radic
6minus23+
radic6
3+
19≐ 1259956951
namesto točnejše vrednosti
3radic
2a
≐ 1259921049
71
Če bi podoben račun naredili za Uhlhornovo toksoido ki se v prevojih
tudi približno ujema s tangentama bi dobili slabši rezultat
Zgoraj opisani približek lahko izkoristimo za precej natančno evklid-
sko konstrukcijo roba b podvojene kocke z robom a V koordinatnem sis-
temu Oxy narišemo krožnico s polmerom a s središčem v točki D(a0)
skozi O pa konstruiramo premico p z naklonskim koeficientom k = 2radic
2
Na abscisni osi konstruiramo točkoG(3aradic
680) in skoznjo premico q vz-
poredno s p Presečišče te premice s krožnico je točka T njena pravokotna
projekcija na os y pa točka T0 Razdalja b = ∣T0T ∣ je dober približek za
a 3radic
2 (slika 44) Pri tem izkoristimo izraza za diagonalo kvadrata in višino
enakostraničnega trikotnika v katerih nastopataradic
2 inradic
3 s kombinacijo
obeh pa šeradic
6 Podrobnosti so izpuščene z malo truda lahko konstrukcije
izvede vsak sam
Slika 44 Približna podvojitev kocke
Zrcalno sliko Evdoksove kampile (11) na krožnici x2 + y2 = a2 takoj
dobimo iz polarne oblike njene desne veje lowast(ϕ) = acos2ϕ Z zapisom v
pravokotnih kartezičnih koordinatah dobimo implicitno obliko za celotno
prezrcaljeno krivuljo
(x2 +y2)3 = a2x4
72
Krivulja je algebrska šeste stopnje Simetrična je glede na obe koordinatni
osi Njeni največji odkloni od osi x so pri polarnih kotih ϕ za katere je
3sin2ϕ = 1 to je v točkah (plusmn2aradic
69plusmn2aradic
39) kjer ima krivulja vodo-
ravni dvojni tangenti
Slika 45 Zrcaljenje Evdoksove kampile na krožnici
Nova krivulja spada med Clairautove Ploščina P obeh delov jajčastih
oblik je
P = 4 sdota2
2 intπ2
0cos4ϕdϕ = 2a2 sdot
34
sdotπ2=
3πa2
8
Problem podvojitve kocke grško διπλασιασμός τοῦ κύβου ali deloški
problem poimenovan po grškem otoku Delosu v Egejskem morju je reše-
valo več grških geometrov ki so celo skušali izdelati v ta namen posebno
orodje Platon je pograjal Evdoksove Arhitove in Menajhmove učence
češ da njihovi napori kvarijo kar je dobrega v geometriji Nastal je celo
epigram (puščica zbadljivka) v zvezi s podvojitvijo kocke ki je zapisan v
Evtokijevih komentarjih k Arhimedovi razpravi rdquoO krogli in valjurdquo grško
Περὶ σφαίρας καὶ κυλίνδρου Matematik in neoplatonist Evtokij iz Aškalona
v Palestini Εὐτόκιος ὁ Ασκαλονίτης je bil poznoantični matematik rojen
73
okoli leta 480 umrl pa je okoli leta 520 O njem se ve bore malo Nekaj
časa je deloval v Atenah nazadnje pa v Aleksandriji Napisal je tudi ko-
mentarje k Apolonijevi razpravi rdquoStožnicerdquo v grščini Κωνικά Na stožnice
se je v srednjem kar nekoliko pozabilo zanimanje zanje je spet oživelo
šele v času Keplerja in Newtona ko je bil potreben opis gibanja planetov
v heliocentričnem svetovnem sistemu
Navedimo omenjeni epigram v grščini in v prevodu S Weiss (vzeto iz
obsežnega knjižnega dela v treh delih [3])
Μηδὲ σύ γrsquo Αρχύτεω δυσμήχανα ἔργα κυλίνδρων
μηδὲ Μεναιχμείους κωνοτομεῖν τριάδας
διζήσηι μηδrsquo εἴ τι θεουδέος Εὐδόξοιο
καμπύλον ἐν γραμμαῖς εἶδος ἀναγράφεται
Težkih Arhitovih del s cilindri nikar ne posnemaj
stožnic Menajhmovih treh nikdar izsekal ne boš
niti ne boš spoznal če božanskega črte Evdoksa
res zarišejo lik tak iz zavitih kampil
Videli smo kaj vse se da povedati o neki krivulji če obvladamo in-
finitezimalni račun Seveda nam je to sedaj ko imamo na voljo najnovejše
pripomočke in obsežno ter dostopno matematično literaturo veliko laže
kot je bilo matematikom v 17 stoletju ko so v marsičem še orali ledino
Pomembni znanstveniki rojeni v 17 stoletju
Navedimo nekaj pomembnih znanstvenikov predvsem matematikov fizi-
kov in astronomov ki so se rodili v 17 stoletju Razvrščeni so po letnicah
74
rojstva Veliko podatkov dobimo v [1 5] in na svetovnem spletu
Gilles Personne de Roberval (1602ndash1675)
Pierre de Fermat (1607ndash1665)
Giovanni Alfonso Borelli (1608ndash1679)
Evangelista Torricelli (1608ndash1647)
John Pell (1610ndash1685)
Johann Hevel (1611ndash1687)
Frans van Schooten (1615ndash1660)
Carlo Renaldini (1615ndash1698)
John Wallis (1616ndash1703)
Henry Oldenburg (1618ndash1677)
Michelangelo Ricci (1619ndash1682)
William Brouncker (1620ndash1684)
Edmeacute Mariotte (1620ndash1684)
Jean Picard (1620ndash1682)
Vincenzo Viviani (1622ndash1703)
Reneacute-Franccedilois de Sluse (1622-1685)
Blaise Pascal (1623ndash1662)
Giovanni Domenico Cassini (1625ndash1712)
Robert Boyle (1627ndash1691)
Christiaan Huygens (1629ndash1695)
Isaac Barrow (1630ndash1677)
Ehrenfried Walther von Tschirnhaus (1631ndash1708)
Christopher Wren (1632ndash1723)
Johann Hudde (1633ndash1704)
Robert Hooke (1635ndash1703)
75
William Neile (1637ndash1670)
James Gregory (1638ndash1675)
Philippe de la Hire (1640ndash1719)
Isaac Newton (1643ndash1727)
Olaus Roslashmer (1644ndash1710)
Gottfried Wilhelm Leibniz (1646ndash1716)
Denis Papin (1647ndash1712)
Michel Rolle (1652ndash1719)
Pierre Varignon (1654ndash1722)
Jacob Bernoulli (1655ndash1705)
Edmund Halley (1656ndash1742)
Guillaume Franccedilois Antoine LrsquoHocircpital (1661ndash1704)
David Gregory (1661ndash1708)
Abraham de Moivre (1667ndash1754)
Johann Bernoulli (1667ndash1748)
Jacopo Francesco Riccati (1676ndash1754)
Giulio Carlo Fagnano (1682ndash1766)
Roger Cotes (1682ndash1716)
Reneacute Antoine Reacuteaumur (1683ndash1757)
Greacutegoire de Saint-Vincent (1584ndash1667)
Brook Taylor (1685ndash1731)
Gabriel Daniel Fahrenheit (1686ndash1736)
Colin Maclaurin (1698ndash1746)
Pierre Louis Moreau de Mapertuis (1698ndash1759)
76
Viri
[1] I Asimov Biografska enciklopedija znanosti in tehnike Tehniška za-
ložba Slovenije Ljubljana 1978
[2] J Bair V Henry Sluse ses perles et son algorithme Losanges 14
(2011) str 14ndash18 httphdlhandlenet2268100155 (videno 10
7 2021)
[3] G Kocijančič (urednik) Fragmenti predsokratikov Študentska za-
ložba Ljubljana 2012
[4] G Loria Spezielle algebraische und transscendente ebene Kurven
Teubner Leipzig 1902
[5] U C Merzbach C B Boyer A History of Mathematics John Wiley amp
Sons Hoboken New Jersey 2011
[6] J J OrsquoConnor E F Robertson Reneacute Franccedilois Walter de Sluze MacTu-
tor
httpsmathshistoryst-andrewsacukBiographiesSluze
(videno 10 7 2021)
[7] B von Pape Von Eudoxus zu Uhlhorn Books on Demand Norderstedt
2019
[8] M Razpet Pomnožitev hiperkocke Obzornik mat fiz 68 (2021) št 1
str 1-9
[9] M Razpet in N Razpet Prepogibanje papirja podvojitev kocke in
Slusova konhoida Obzornik mat fiz 67 (2020) št 2 str 41-51
77
[10] Y Renotte Reneacute de Sluze dialogues avec Christiaan Huygens
Bulletin de lrsquouniversiteacute du 3e acircge - Liegravege 23 (2021) 4 strani
httphdlhandlenet22682596400 (videno 10 7 2021)
[11] R F Slusius Mesolabum seu duaelig mediaelig proportionales inter ex-
tremas datas per circulum et ellipsim vel hyperbolam infinitis modis
exhibitaelig Leodii Eburonum Liegravege 1659
[12] R F Slusius Mesolabum seu duaelig mediaelig proportionales inter ex-
tremas datas per circulum et per infinitas hyperbolas vel ellipses et
per quamlibet exhibitaelig ac problematum omnium solidorum effectio
per easdem curvas Leodii Eburonum Liegravege 1668
[13] D Uhlhorn Entdeckungen in der houmlhern Geometrie theoretisch und
practisch abgehandelt Schulzersquosche Buchhandlung Oldenburg 1809
[14] I Vidav Algebra Mladinska knjiga Ljubljana 1972
Avtor se zahvaljuje prof dr Milanu Hladniku za strokovni pregled
copy(2021) Marko Razpet
78