三次曲線

数学において、三次曲線(さんじきょくせん、: cubic plane curve)とは以下のような三次方程式によって定義される代数曲線である。

三次曲線の種類

ここで射影平面上の斉次座標、またはアフィン空間の非斉次座標でz = 1とした座標で、Fは三次の斉次多項式、すなわち以下のような0でない三次単項式の線形結合とする。

これら10個の項から成ることより、三次曲線は任意の可換体K 上で9次元の射影空間を成す。また三次曲線Cを満たす1点Pは1つの線形条件を課す。したがって9つの点を通る三次曲線はただ一つに決定される。 5つの点で決定する円錐曲線と比較してみると、2つの三次曲線が9つの点を通るならば、それらはを成し、さらなる性質を持つこととなる(英語版:Cayley–Bacharach theorem)。

特異的な三次曲線 y2 = x2 ⋅ (x + 1). 媒介変数表示 t ↦ (t2 – 1, t ⋅ (t2 – 1)).

三次曲線には特異点を持つものもあり、射影直線におけるパラメトリック方程式となる。一方、 特異点を持たない三次曲線は複素数のような代数的閉体上に9つの変曲点を持つ[1]。これは、三次曲線を再定義するヘッセ行列の同次座標をCと交差させることにより示すことができる(ベズーの定理)。しかし、これらの点のうちは実射影平面上にあるのは3点だけであり[2]、他の点は実射影平面上で曲線を描いても見ることはできない。特異点を持たない三次曲線の9つの変曲点は、そのうちの2つを通るすべての直線がちょうど3つの変曲点を含むという性質を持っている。

実射影平面上にある変曲点はニュートンによって研究され、非特異な三次曲線の実点が1つか2つの「オーバル」を通ることが発見された。 これらのオーバルのうちの1つは、すべて射影直線を横切るので、ユークリッド平面に描いたときには見ることができず、3つの実変曲点を含む、1本または3本の無限の分岐として現れる。もう1つのオーバルは、存在するとしても、変曲点を含まず、オーバルか2つの無限の分岐のように見える。 円錐曲線の断面の様に直線はオーバルを最大2点で切断する。

非特異な三次曲線はK上の楕円曲線でもある。楕円曲線は普通、ワイエルシュトラスの楕円関数を変形したもので研究されており、三次関数の平方根で作られた有理関数上で定義されている。これはワイエルシュトラス標準形の無限遠点としてはたらくK-有理点に依存する。K有理数体のとき多くの三次曲線はそのような点を持たない。

尖点二重点など、特異的な三次曲線の特異点は限られている。 そのような3次曲線は、2次曲線と直線、または3つの直線に退化する。したがって2次曲線と直線の場合は、2つのニ重点または 二重尖点(en)、3つの直線の場合はまたは3つのニ重点か1つの三重点(共点)を持つ。

三角形の三次曲線

ABCの辺について とする。ABCの有名な三次曲線は様々な三角形の中心を通る。以下は斉次座標である三線座標と重心座標を用いる。

三線座標から重心座標への変換は以下の様に行われれる。

重心座標から三線座標への変換は以下の様に行われれる。

三次曲線の多くは以下の形式で表される。

この式は下記のような上の式を略した表記を用いることもある。

.

またX等角共役点(en)をX*, とする。このとき三線座標において ならば が成り立つ。

ノイベルグ三次曲線

詳しくは「ノイベルグ三次曲線」を参照

ABCのノイベルグ三次曲線 Xを辺BC, CA, ABで鏡映した点をXA, XB, XCとしAXA, BXB, CXCが一点で交わるようなXの軌跡である。

三線座標:

重心座標:

ノイベルグ三次曲線X*が直線EX上(Eはオイラー無限遠点X(30),オイラー線方向の無限遠点)にあるような点Xの軌跡、つまりXX*がオイラー線と平行になるような点の軌跡である。Xを辺BC, CA, ABで鏡映した点をXA, XB, XCとし、XAXBXCABC配景的(en)なXの軌跡とも定義される。

ノイベルグ三次曲線は頂点、内心と傍心外心垂心フェルマー点等力点、オイラー無限遠点などを通る。

Berhard GibertのCubics in the Triangle PlaneではK001と登録されている。

トムソン三次曲線

詳しくは「トムソン三次曲線」を参照

トムソン三次曲線(黒い線)トムソン三次曲線上のX ,X*,X(2)(重心)は共線である。

三線座標:

重心座標:

トムソン三次曲線はX*が直線GX(G重心)上にあるような点Xの軌跡である。

トムソン三次曲線は頂点、内心と傍心、重心、外心、垂心、類似重心、辺の中点などを通る。

Berhard GibertのCubics in the Triangle PlaneではK002 として登録されている。

ダルブー三次曲線

ダルブー三次曲線、 XBC, CA, ABに対する垂足三角形が元の三角形と配景的であるようなXの軌跡

三線座標:

重心座標:

ダルブー三次曲線はX*が直線LX上(Lド・ロンシャン点)にあるような点Xの軌跡である。ダルブー三次曲線上のX垂足三角形チェバ三角形で、チェバ三角形の元の点はルーカス三次曲線を成す。また、X の垂足三角形はXの反チェバ三角形と配景的で、その配景の中心はトムソン三次曲線を成す。

ダルブー三次曲線は頂点、内心と傍心、外心、垂心、ドロンシャン点、頂点の外接円に対する対蹠点などを通る。

Berhard GibertのCubics in the Triangle Planeでは K004 として登録されている。

ナポレオン-フォイエルバッハ三次曲線

三線座標:

重心座標:

ナポレオン-フォイエルバッハ三次曲線はX*が直線NX 上(N = X(5),九点円の中心)にある点Xの軌跡である。

ナポレオン-フォイエルバッハ三次曲線は頂点、内心と傍心、外心、垂心、ナポレオン点などを通る。

Berhard GibertのCubics in the Triangle Planeでは K005 として登録されている。

ルーカス三次曲線

ルーカス三次曲線 、 Xののチェバ三角形 がダルブー三次曲線上の点の垂足三角形となるような点Xの軌跡。

三線座標:

重心座標:

ルーカス三次曲線はX のチェバ三角形がダルブ―三次曲線上の点の垂足三角形となるような点Xの軌跡である。

ルーカス三次曲線は頂点、反中点三角形の頂点、シュタイナー外接楕円の焦点、重心、垂心、ジェルゴンヌ点ナーゲル点、ド・ロンシャン点 などを通る。

Berhard GibertのCubics in the Triangle PlaneではK007 として登録されている。

第一ブロカール三次曲線

第一ブロカール三次曲線、第一ブロカール三角形A'B'C' とし、XA', XB', XC'BC, CA, CB,のそれぞれの交点が共線であるような点Xの軌跡。

三線座標:

重心座標:

A'B'C' を第一ブロカール三角形XA, XB, XC.をそれぞれXA′, XB′, XC′BC, CA, AB,の交点とする。このときXA, XB, XCが共線となるような点Xの軌跡を第一ブロカール三次曲線と言う。

第一ブロカール三次曲線は頂点、第一,第三ブロカール点の頂点、重心、類似重心、シュタイナー点などを通る。

Berhard GibertのCubics in the Triangle Planeでは K017として登録されている。

第二ブロカール三次曲線

三線座標:

重心座標:

第二ブロカール三次曲線は直線XX*の、X,X*を通る外接円錐曲線に対する極がブロカール軸上にあるような点Xの軌跡である。頂点、重心、類似重心、フェルマー点、等力点、パリー点、第二,第四ブロカール三角形の頂点を通る。

Berhard GibertのCubics in the Triangle Planeでは K018として登録されている。

第一等積三次曲線

第一等積三次曲線:X のチェバ三角形とX*のチェバ三角形の面積が等しくなるような点Xの軌跡。

三線座標:

重心座標:

第一等積三次曲線はX のチェバ三角形とX*のチェバ三角形の面積が等しくなるような点Xの軌跡である。X*が直線S*X 上(S = X(99),シュタイナー点)にあるような点Xの軌跡とも定義される。

第一等積三次曲線は内心と傍心、シュタイナー点 、第一,第二ブロカール点を通る。

Berhard GibertのCubics in the Triangle Planeでは K021として登録されている。

第ニ等積三次曲線

三線座標:

重心座標:

第ニ等積三次曲線は三線座標で , , とし、XYXZのチェバ三角形の面積が等しくなるような点Xの軌跡である。

第ニ等積三次曲線は内心、重心、類似重心 X(31), X(105), X(238), X(292), X(365), X(672), X(1453), X(1931), X(2053)などを通る

Berhard GibertのCubics in the Triangle Planeでは K155として登録されている。

注釈

  1. Bix 2006, p. 228, Exercise 12.24.
  2. Bix 2006, p. 224, Exercise 12.8.

関連

参考文献

  • Bix, Robert (2006), Conics and Cubics: A Concrete Introduction to Algebraic Curves (Second ed.), New York: Springer, ISBN 978-0387-31802-8, MR2242725, Zbl 1106.14014.
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  • Cerin, Zvonko (1999), “On the cubic of Napoleon”, Journal of Geometry 66 (1–2): 55–71, doi:10.1007/BF01225672.
  • Cundy, H. M. & Parry, Cyril F. (1995), “Some cubic curves associated with a triangle”, Journal of Geometry 53 (1–2): 41–66, doi:10.1007/BF01224039.
  • Cundy, H. M. & Parry, Cyril F. (1999), “Geometrical properties of some Euler and circular cubics (part 1)”, Journal of Geometry 66 (1–2): 72–103, doi:10.1007/BF01225673.
  • Cundy, H. M. & Parry, Cyril F. (2000), “Geometrical properties of some Euler and circular cubics (part 2)”, Journal of Geometry 68 (1–2): 58–75, doi:10.1007/BF01221061.
  • Ehrmann, Jean-Pierre & Gibert, Bernard (2001), “A Morley configuration”, Forum Geometricorum 1: 51–58.
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  • Gibert, Bernard (2003), “Orthocorrespondence and orthopivotal cubics”, Forum Geometricorum 3: 1–27.
  • Kimberling, Clark (1998), “Triangle Centers and Central Triangles”, Congressus Numerantium 129: 1–295. See Chapter 8 for cubics.
  • Kimberling, Clark (2001), “Cubics associated with triangles of equal areas”, Forum Geometricorum 1: 161–171, https://www.researchgate.net/publication/241067469.
  • Lang, Fred (2002), “Geometry and group structures of some cubics”, Forum Geometricorum 2: 135–146.
  • Pinkernell, Guido M. (1996), “Cubic curves in the triangle plane”, Journal of Geometry 55 (1–2): 142–161, doi:10.1007/BF01223040.
  • Salmon, George (1879), Higher Plane Curves (3rd ed.), Dublin: Hodges, Foster, and Figgis, https://books.google.com/books?id=pYGj2xY5Le4C.

外部リンク

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