Поде́ра (фр. podaire, от др.-греч. πούς, род. пад. ποδός — нога[1][2], то есть стопа перпендикуляра; англ. pedal curve; pedal) кривой относительно точки — некоторая кривая, составленная из оснований перпендикуляров, опущенных из данной точки на касательные к данной кривой[2][3][4][5][6][7][8].

Геометрическое построение красных точек подеры, контраподеры и ортотомики точки P кривой C относительно полюса O

Устаревший термин подэ́ра[3][9][10], или подэ́рная крива́я[9].

В некоторых математических текстах вместо русского термина «подера» используется калька с английского «педаль»[11][12].

Например, подера окружности относительно точки, лежащей не в центре окружности, — это улитка Паскаля[3][13].

Подера кривой есть инверсия полярного преобразования кривой, полюсы которых совпадают с полюсом подеры[14].

Впервые подера рассмотрена 30 июня 1718 года Колином Маклореном (англ. Colin Maclaurin), профессором математики из Абердина, в журнале Философские труды Королевского общества (англ. Philosophical Transactions of the Royal Society) в статье на латинском языке «III. Трактат о построении и измерении кривых, где большинство бесконечных серий кривых сводятся либо к прямым линиям, либо к более простым кривым. Автор Колин Маклорен, профессор математики в колледже[англ.] Нового Абердина[англ.]» (лат. III. Tractatus de Curvarum Constructione et Mensura; ubi plurimae Series Curvarum Infinitae vel rectis mensurantur vel ad Simpliciores Curvas reducuntur. Autore Colin Maclaurin, in Collegio novo Abredonensi Matheseos Professore)[15][16][17].

Определения

Определения подеры и антиподеры на плоскости

Поде́ра, или (первая) позитивная подера[18][19], или подошвенная кривая[19] (англ. pedal; pedal curve; first positive pedal), кривой — некоторая кривая, составленная из оснований перпендикуляров, опущенных из фиксированной точки, которая называется полюсом[6][20][8], или центром[4], или точкой подеры[20][21], на касательные к исходной кривой[3][2][4][5][6][7][21][20][8]. Подера кривой порядка , , имеет порядок [6].

Устаревший термин подэ́ра[3][9][10], или подэ́рная крива́я[9].

В некоторых математических текстах вместо русского термина «подера» используется калька с английского «педаль»[11][12].

Парабола — антиподера прямой

Антиподе́ра, или (первая) негативная подера[22][23][19] (англ. first negative pedal), кривой относительно точки — кривая, подера которой относительно той же точки есть исходная кривая[3][2][19]. Другими словами, антиподера — огибающая кривая перпендикуляров, проведённых через точки исходной кривой к прямым, соединяющим точки исходной кривой с фиксированной точкой — полюсом[23].

Например, парабола есть антиподера прямой, если полюс антиподеры совпадает с фокусом параболы[6][19], как показано на рисунке справа.

Построение антиподеры исходя из уже построенной её подеры называется построением с помощью подеры[9].

Например, всегда получится коническое сечение, если осуществить построение с помощью подеры из окружности или прямой[9][19].

Поде́ры степене́й вы́ше пе́рвой обеих разновидностей определяются как подеры подер предыдущей степени с одним и тем же полюсом[23].

Определение подеры через инверсию и полярное преобразование

Имеет место схема преобразований кривых для подеры, инверсии и полярного преобразования кривой, показанная на рисунке справа, из которой вытекает следующее утверждение[14]:

Другие связанные определения

Поде́рное преобразова́ние — преобразование плоскости, отображающее точки каждой кривой в соответствующие точки её подеры. Это преобразование неточечное, то есть оно не сохраняет точки, прямые и окружности[4]. Подерное преобразование есть касательное преобразование (преобразование Ли)[24].

Поде́рная систе́ма координа́т — система координат, основанная на подерном преобразовании и состоящие из двух величин: расстояний от полюса до точки кривой и до соответствующей точки её подеры[25][26].

Поде́ра пове́рхности, или подерная поверхность[27] — некоторая поверхность, составленная из оснований перпендикуляров, опущенных из постоянной точки на касательные плоскости данной поверхности[3][27].

Подо́ида, или втори́чная ка́устика (англ. orthotomic; orthotomic curve; secondary caustic), кривой относительно данного полюса — кривая, получающаяся из подеры растяжением в два раза относительно полюса[28][29]. Другими словами, подоида — некоторая кривая, составленная из точек, симметричных полюсу относительно касательных данной кривой[30][29][31]. Эволюта ортотомики есть каустика[31].

В некоторых математических текстах вместо русского термина «подоида» используется калька с английского «ортото́мика»[11].

Например, подоида конического сечения относительно его фокуса есть[32]:

Антиподо́ида кривой относительно полюса — кривая, подоида которой относительно полюса есть исходная кривая[33]. Другими словами, антиподоида — огибающая кривая перпендикуляров, проведённых через середины отрезков, соединяющих точки исходной кривой с полюсом[33].

Контраподе́ра[34][35], или норма́льная поде́ра, или норма́льная поде́рная кри́вая (англ. contrapedal; normal pedal; normal pedal curve), кривой относительно полюса — подера эволюты этой кривой относительно того же полюса. Другими словами, котраподера — некоторая кривая, составленная из оснований перпендикуляров, опущенных из полюса на нормали данной кривой[18][34][35]. Соответственно, подера кривой относительно полюса — это контраподера эвольвенты этой кривой относительно того же полюса[35]

Уравнения подеры

Параметрические уравнения подеры

Параметрические уравнения подеры на вещественной плоскости

В общем случае, для параметрически заданной кривой , имеющей производную , подера

относительно точки задаётся следующими уравнениями[36][21]:

Эти основные уравнения[37] можно принять за определение подеры[38].

Иногда основные уравнения записывают в более сложном виде[38]:

В частном случае, относительно полюса в начале координат, основные уравнения будут такими[3][36]:

Параметрические уравнения подеры в двумерном векторном пространстве

В векторном виде основное уравнение будет проще[38]:

или в более сложном виде[38]:

где — вектор нормали, перпендикулярный касательной[38].

Относительно полюса [38][3][36]:

или в более сложном виде[38][3][36]:

Параметрические уравнения подеры на комплексной плоскости

В комплексных числах для параметрически заданной кривой , имеющей производную , основное уравнение подеры

относительно точки будут ещё проще[40][37]:

В частном случае, относительно полюса , основное уравнение будет таким[40][37]:

Параметрические уравнения подеры в вещественном пространстве

Для параметрически заданной пространственной кривой , имеющей производную , подера относительно точки задаётся следующими уравнениями[3]:

Прямоугольная система координат

Для кривой с неявным уравнением , имеющей частные производные и подера относительно точки задаётся следующими параметрическими уравнениями[41]:

Для поверхности с неявным уравнением , имеющей частные производные , и , подера относительно точки задаётся следующими параметрическими уравнениями[3]:

Подерная система координат

Самое простое уравнение подеры получается в подерной системе координат. Для кривой, имеющей подерное уравнение

или

относительно некоторого полюса, подерное уравнение её подеры

или

относительно того же полюса[42]

Примеры подеры

Подера окружности

Подера окружности с полюсом в центре есть та же самая окружность. Подера окружности с полюсом вне центра есть улитка Паскаля, в частности, если полюс подеры лежит на самой окружности, то подера — кардиоида[4].

Найдём уравнение подеры окружности. Уравнение окружности в комплексном параметрическом виде

где — постоянный комплексный центр окружности; — постоянный вещественный радиус окружности; — вещественный параметр. Получаем:

и уравнение подеры окружности с полюсом , то есть улитки Паскаля[37]:

Уравнение улитки Паскаля упростится, если прямая параллельна вещественной оси комплексной плоскости, то есть или

Рассмотрим два частных случая подеры[37]:

  • если и совпадают, то есть подера окружности есть сама окружность с центром в начале координат — полюсе подеры:
  • если лежит на окружности, то есть имеем уравнение кардиоиды с центром в каспе — полюсе подеры:
  • если при этом прямая параллельна вещественной оси комплексной плоскости, то есть или то уравнение кардиоиды
  • а если при этом окружность имеет радиус и слева от , то самое простое уравнение кардиоиды

Подера параболы

Косая конхоида Слюза — подера параболы

Любая парабола имеет подеру — циркулярную кривую 3-го порядка на комплексной проективной плоскости[6].

Не умаляя общности, уравнение произвольной параболы можно записать в следующем виде[6]:

или

где — расстояние от фокуса параболы до её вершины и от вершины до директрисы.

Тогда подера произвольной параболы относительно произвольного полюса есть дефективная гипербола с двойной точкой , асимптотой и следующим уравнением[6]:

Подера эллипса

Подера эллипса

  • относительно его фокуса — окружность,
  • относительно центра эллипса — лемниската Бута.

См. также

Примечания

Источники