四次平面曲线

四次平面曲线quartic plane curve)是四英语degree of a polynomial的平面代数曲线,可以表示为以下的多变数四次方程:

A, B, C, D, E中至少要有一个不为0。方程式有15个常数,不过方程式若乘以非零的任意数,不会改变曲线,因此可以将其中一个常数固定为1,留下14个可调整的常数。四次曲线的空间可以视为是实射影空间。依照克莱姆定理英语Cramer's theorem (algebraic curves),若考虑一般位置下14个不同的点,通过这十四个点的四次平面曲线唯一,因此四次平面曲线的自由度为14。

四次曲线最多可以有:

  • 四个相连的部分
  • 28个双切线英语bitangent
  • 3个一般的二重点

也可以考虑在其他数学(甚至是)中的四次曲线,例如在复数中的四次曲线。此时可以得到黎曼曲面,在C上是一维的物件,但在R上是二维的物件。例如Klein四次曲线英语Klein quartic,另外也可以探讨射影平面下的曲线,由齐次多项式所定义。

举例

&符号曲线
Bean曲线
Bicuspid曲线
Bow 曲线
Cruciform曲线,红色的参数(b,a)为(1,1),绿色的参数为(2,2)
Cruciform曲线,红色的参数(b,a)为(1,1),绿色的参数为(2,1),蓝色的参数为(3,1)
Spiric截面英语Spiric section
笛卡儿坐标系下的三叶线
极坐标系下的三叶线

上述曲线中,系数的不同组合产生了以下重要的曲线族。

&符号曲线

&符号曲线(ampersand curve)是以下方程对应的四次曲线

 

亏格为0,有三个一般的双点,都在实数平面上。[1]

Bean曲线

Bean曲线(bean curve)是以下方程对应的四次曲线

 

其亏格为0,在原点有一个奇点,是一个一般的三次点[2][3]

Bicuspid曲线

bicuspid是方程式如下的四次曲线:

 

其中a决定了曲线的大小。 bicuspid只有二个node为奇异点,因此是亏格为1的曲线。 [4]

Bow曲线

Bow曲线是方程式如下的四次曲线:

 

x=0, y=0处有单一的三重点,是有理曲线,亏格为0。 [5]

Cruciform曲线

Cruciform曲线是以下方程的四次曲线

 

其中ab为决定曲线形状的参数。 Cruciform曲线可以透过一个标准的二次变换x ↦ 1/x, y ↦ 1/y转变为椭圆a2x2 + b2y2 = 1,因此是亏格为0的有理平面代数曲线。Cruciform曲线在实射影平面中有三个双重点,是(x=0、y=0),(x=0 、z=0) 以及(y=0、z=0)。 [6]

此曲线是有理曲线,参数化后的结果也是有理函数。例如,令a=1及b=2,可得以下的参数式

 

其中唯一一个无法参数化的点是会让参数式分母为零的点。

Spiric截面

Spiric截面英语Spiric section可以定义成对x轴及y轴对称的圆代数英语Circular algebraic curve四次平面曲线。Spiric截面包括在环面曲线中,其中包括了hippopede英语hippopede卡西尼卵形线。其英文名称Spiric源自古希腊文的环面σπειρα。

笛卡儿坐标系下的方程式为

 

极座标系的方程式为

 

三叶线

三叶线(three-leaved clover)是以下方程的四次平面曲线

 

在求解y后,曲线可以表示为以下的方程:

 

其中二个±是彼此独立的,因此每一个x会对应四个y值。

三叶线的参数式为

 [7]

在极坐标(x = r cos φ, y = r sin φ)下的方程如下

 

这是玫瑰线k = 3的特例。 三叶线在原点处为三重点,有三个二切线。

参考资料

  1. ^ Weisstein, Eric W. (编). Ampersand Curve. at MathWorld--A Wolfram Web Resource. Wolfram Research, Inc. (英语). 
  2. ^ Cundy, H. Martyn; Rollett, A. P., Mathematical models 2nd, Clarendon Press, Oxford: 72, 1961 [1952], ISBN 978-0-906212-20-2, MR 0124167 
  3. ^ 埃里克·韦斯坦因. Bean Curve. MathWorld. 
  4. ^ Weisstein, Eric W. (编). Bicuspid Curve. at MathWorld--A Wolfram Web Resource. Wolfram Research, Inc. (英语). 
  5. ^ Weisstein, Eric W. (编). Bow. at MathWorld--A Wolfram Web Resource. Wolfram Research, Inc. (英语). 
  6. ^ Weisstein, Eric W. (编). Cruciform curve. at MathWorld--A Wolfram Web Resource. Wolfram Research, Inc. (英语). 
  7. ^ Gibson, C. G., Elementary Geometry of Algebraic Curves, an Undergraduate Introduction, Cambridge University Press, Cambridge, 2001, ISBN 978-0-521-64641-3. Pages 12 and 78.