Hans Walser, [20210102]
Kardioide
Spielereien um die Kurvenschar:
(1)
Viele Bilder
FŸr n = 1 ergibt sich der Kreis (rot in Abb. 1), fŸr n = 2 die Kardioide (blau in Abb. 1).
Abb. 1: Kurvenschar
FŸr grš§ere Werte von n haben wir verallgemeinerte Kardioiden.
Wir ersetzen durch . Wegen mŸssen wir den Definitionsbereich etwas einschrŠnken, um eine Division durch null zu vermeiden:
(2)
Die Abbildung 2 zeigt die Kurven fŸr .
FŸr n = 0 ergibt sich der Einheitspunkt auf der positiven x-Achse.
FŸr n = –1 erhalten wir die senkrechte Gerade x = 0.
FŸr n = –2 ergibt sich die liegende Parabel .
Abb. 2: Kreisspiegelung
Es sieht nun so aus, dass und (sie haben jeweils dieselbe Farbe) durch eine Kreisspiegelung am Einheitskreis auseinander hervor gehen. Dies ist global gesehen richtig, punktweise gesehen kommt aber noch eine Spiegelung an der x-Achse dazu. Dies sehen wir, wenn wir den Definitionsbereich fŸr t asymmetrisch wŠhlen. Die Abbildung 3 zeigt die Kurvenschar:
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Abb. 3: Asymmetrie
Die Kurven mit entgegengesetzt gleichem Index gehen zwar glatt (ohne RichtungsŠnderung) ineinander Ÿber, haben aber an der †bergangsstelle einen KrŸmmungssprung.
Die Abbildung 4 zeigt die Variante:
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Abb. 4: Variante
Die Sache funktioniert auch fŸr rationale Indizes. Die Abbildung 5 zeigt die Situation fŸr:
(5)
Man beachte den Farbwechsel bei der Kreisspiegelung.
Abb. 5: Halbzahlige Indizes
In (1) vertauschen wir die Rollen von n und t. Das sieht exemplarisch so aus:
(6)
Die Kurvenschar besteht aus logarithmischen Spiralen (Abb. 6).
Abb. 6: Logarithmische Spiralen
Aus (1) basteln wir eine Parameterdarstellung einer FlŠche im Raum:
(7)
Die z-Koordinate ist noch frei wŠhlbar.
FŸr z = 0 erhalten wir eine ebene Figur (Abb. 7 fŸr a = 0 und b = 2).
Abb. 7: Ebene Figur
Die Abbildung 8 zeigt die Sicht von oben (Grundriss). Der Umriss ist die Kardioide. Die u-Linien sind logarithmische Spiralen, die v-Linien verallgemeinerte Kardioiden.
Abb. 8: Kardioide
FŸr ergibt sich die FlŠche der Abbildung 9. Die oberste Niveaulinie ist die Kardioide.
Abb. 9: Niveaulinien verallgemeinerte Kardioiden
Mit erhalten wir die FlŠche der Abbildung 10. Die Niveaulinien sind logarithmische Spiralen.
Abb. 10: Niveaulinien logarithmische Spiralen
Websites
Hans
Walser: Kardioide
http://www.walser-h-m.ch/hans/Miniaturen/K/Kardioide5/Kardioide5.htm
Hans
Walser: Kardioide als Spiegelbild der Parabel bei Kreisspiegelung
http://www.walser-h-m.ch/hans/Miniaturen/K/Kardioide2/Kardioide2.htm