Die Cassini-Kurve ist die Menge aller Punkte P in einer Ebene, für die das Produkt aus den Abständen d1,2 zu zwei Brennpunkten F1,2=(±a,0) konstant ist:
|PF1| · |PF2| = c2
Aus der Gleichung
d1·d2 = c2
erhalten wir mit dem Satz von Pythagoras:
[(x−a)2+y2] · [(x+a)2+y2] = c2
Eine Umformung ergibt die Cassini-Gleichung:
(x2+y2)2 − 2a2(x2−y2) = c4−a4
Damit erhalten wir die Cassini-Funktion
y1,2(x) = ±√[ √(4a2x2+c4) − x2 − a2]
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Zeichnen
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Text
Beschriftung
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| Grafik: |
cassini.png
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Hintergrund | |
| Wähle: |
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d1 = |
d1·d2 | = |
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d2 = |
c2 | = |
| φ = links herum | ||
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| c = | ||
| a = | ||
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| Dichte:Δφ = | ||
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| φ0 = | ||
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| Einheit = px | ||
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Für y=0 erhalten wir:
x4 − 2a2x2 − (c4−a4) = 0
Mit dem Satz von Vieta folgt:
x1,22 = a2 ± √[a4 + (c4−a4)]
Für die Nullstellen folgt also:
x1,2 = ±√(a2+c2) für alle a,c ∈ ℝ
x3,4 = ±√(a2−c2) für a>c
Für a>c gibt es also 4 Nullstellen. In diesem Fall zerfällt die geschlossene Cassini-Kurve in:
zwei einzelne Kurven
Für x=0 erhalten wir:
y4 + 2a2y2 − (c4−a4) = 0
Mit dem Satz von Vieta folgt:
y1,22 = −a2 ± √[a4 + (c4−a4)]
Für die Schnittstellen folgt also:
y1,2 = ±√(−a2+c2) falls c>a
y3,4 = ±√(−a2−c2) keine Lösung
Für c>a schneidet die Cassini-Kurve die y-Achse zweimal:
zwei Schnittpunkte
Für c=a gibt es nur einen Schnittpunkt mit der y-Achse, und das im Ursprung.
Für die Parameter a=1 und c=1 erhält man die Lemniskate von Bernoulli.
Lemniskate bedeutet Schleife. Im Ursprung schneidet sie sich senkrecht, also in einem Winkel von 90°.
Orthogonaltrajektorien schneiden eine gegebene Kurvenschar in jedem Punkt senkrecht, also in einem Winkel von 90°. Bzgl. den Cassini-Kurven genügen sie der Gleichung
y2 + λx·y + (a−x2) = 0
Mit dem Satz von Vieta erhalten wir:
y1,2 = −λx/2 ± √[(λx/2)2−(a−x2)]
Die Hyperbeln scheiden die x-Achse bei ±a. Die y-Achse hingegen wird nicht geschnitten.
Cassinische Kurven Übersicht
Charakterisierung anhand von Nullstellen
Faszinierend: Die Cassinischen Kurven werden anhand der Anzahl ihrer Nullstellen charakterisiert. Diese hängt von den beiden Parametern a und c ab:
| Nullstellen | Character | |
|---|---|---|
| c > a | 2 Nullstellen | geschlossene Kurven |
| c = a | 3 Nullstellen | Lemniskatec=1, a=1 |
| c < a | 4 Nullstellen | 2 Kurven |
Für a > c zerfällt eine geschlossene Cassini-Kurve in zwei Ovale.
Parametrisierung Formeln
Die Cassini-Gleichung in kartesischen Koordinaten
(x2+y2)2 − 2a2(x2−y2) = c4−a4
lässt sich durch die Polarkoordinaten
x(r,φ) = r·cos(φ)
y(r,φ) = r·sin(φ)
in folgende Form überführen:
r4 − 2a2cos(2φ)·r2 − (c2 − a2) = 0
Mit dem Satz von Vieta erhalten wir:
r2
= a2 cos(2φ)
± √[a4cos2(2φ) + (c4−a4)]
Dadurch wird der Abstand r(φ) vom Mittelpunkt des Koordinatensystems zum Punkt P berechnet, in Abhängigkeit des Winkels φ.
x und y in Abhängigkeit eines Parameters
Der mathematisch positive Drehsinn ist entgegen des Urzeigersinns links herum.
Während ich für die Cassini-Kurven die kartesischen Koordinaten y(x) verwandt habe, auch wegen des anschaulichen Beweises der Richtigkeit, nutze ich für den Punkt die parametrisierte Darstellung.
Kurvenschar für a
Flächen im ℝ³ Hesse-Matrix
Den obigen Cassini-Kurven kann eine dritte Dimension zugeordnet werden. Dabei werden aus den beiden Brennpunkten F1 und F2 zwei Minima. Der Ursprung hingegen wird zu einem Sattelpunkt. Die beiden folgenden Bilder visualisieren die Lemniskate von Bernoulli zu verschiedenen Parametern.
Die Hesse-Matrix untersucht, ob eine Fläche im ℝ³ an einem bestimmten Punkt ein Maximum, ein Minimum oder einen Sattelpunkt aufweist. Auf der genannten Webseite ist die Fläche im Raum drehbar. Diese Visualisierung ermöglicht die genaue Betrachtung der Extrema. Dabei kann interaktiv der Parameter a variiert werden.
Giovanni Cassini Geschichte
Cassini war ein italienischer Astronom und Mathematiker. Im fetter Schrift ein paar seiner Entdeckungen.
| Giovanni Domenico Cassini | |
|---|---|
| *1625 | Perinaldo (Nizza, Savoyen) |
| 1664 |
Eigendrehung von Jupiter
anhand des GRF
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| 1669 | Académie Royale des Sciences |
| 1671 1672 |
Iapetus Ø 1468 km Rhea Ø 1527 km |
| 1673 |
frz. Staatsbürgerschaft
Jean-Dominic Cassini
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| 1675 |
Cassini-Teilung
Lücke im Saturn-Ring (zw. A und b)
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| 1680 |
Ablehnung der Kepler-Bahnen
=> Cassini-Kurven statt Ellipsen |
| 1684 |
Dione Ø 1123 km Tethys Ø 1062 km |
| †1712 | Paris |
1) GRF = Großer Roter Fleck (Jupiter)
2) In Magenta die Saturn-Monde.
Lücke zwischen Ring A und B
1675 entdeckte Cassini, dass der Saturnring eine Lücke besitzt. Diese Lücke hat eine Breite von ca. 4.800 km. Sie wird als Cassini-Teilung bezeichnet.
Diese Feststellung ist zusammen mit der Entdeckung von vier Saturn-Monden die bekanntesten Leistungen von Giovanni Domenico Cassini.
1667 gegründet von Ludwig XIV:
| Direktoren "Cassini" | ||
|---|---|---|
| 1671–1712 | Giovanni Domenico | Cassini I |
| 1712–1756 | Jacques | Cassini II |
| 1756–1784 | César-François Cassini de Thury |
Cassini III |
| 1784–1793 |
Jean-Dominique Comte de Cassini 1793 Rücktritt
|
Cassini IV |
Observatoire de Paris:
Die Familie Cassini stellte über vier Generationen den Direktor.
Nach dem Tod des Vaters rückte der Sohn nach.
Während der Französischen Revolution 1789 herrschten Unruhen. Nach Auseinandersetzungen mit der Nationalversammlung trat Cassini IV 1793 zurück.
Backstage Location
www.harald-blazy.de/
mathe/cassini-kurven.html