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¿Cómo se llama una parábola mapeada en una esfera?

Parece que un "arco" es un segmento de línea mapeado en la superficie de una esfera (aunque no sé si ese nombre sigue siendo válido si el segmento envuelve la esfera más de una vez, es decir, si el ángulo subtendido por el arco es $>2\pi$ ). ¿Existe un nombre para los polinomios de orden superior mapeados en la superficie de una esfera?


Actualización:

¿Podría estar relacionado con la geodésica? ¿Existe una generalización de las geodésicas paralela a la generalización polinómica de las líneas? También me gustaría que me indicaran dónde buscar más información sobre la idea de hacer matemáticas planas en la superficie de una esfera: por ejemplo, si eliges un punto en la superficie de una esfera y defines un conjunto de bases ortonormales arbitrarias para crear un sistema de coordenadas en la superficie, entonces puedes seguir un conjunto de reglas sobre cómo cambia ese sistema de coordenadas cuando trazas una función. Seguro que el sistema de coordenadas colisionará consigo mismo, pero eso está bien siempre que cualquier punto de una función sepa cuál es su propio marco de coordenadas local. ¿Tiene sentido esta descripción?


Editar para aclarar el mapeo:

En el espacio euclidiano, se puede definir un segmento spline cuadrático con dos segmentos lineales que comparten un punto final. Si parametrizamos la spline con $t$ y tienen puntos $P(0)$ , $K(.5)$ y $P(1)$ entonces $P(t) = (1-t)^2P(0) + 2t(1-t)K(.5) + t^2P(1)$ describe una curva cuadrática que interpola $P(0)$ y $P(1)$ y tiene primeras derivadas definidas por $K(.5)$ .

Puedo definir un arco en la esfera unitaria con dos vectores ortonormales y un ángulo (de modo que puedo definir arcos subtendidos $\pi$ radianes). Si esos vectores son $A(0)$ y $B(0)$ con ángulo $\theta$ entonces mi "spline esférico de primer orden se define como $Q(t) = \cos(t\theta)A(0) + \sin(t\theta)B(0)$ . Puedo utilizar el mismo tipo de enfoque que se utiliza para hacer un spline cuadrático a partir de dos splines lineales estableciendo $A(1) = Q(1)$ con $B(1)$ y $\theta_2$ como parámetros libres para definir la curva (aunque $B(1)$ debe ser ortogonal a $A(1)$ ). Hay un grado de libertad extra en el caso esférico que debe ser tratado (cuántas veces el $A(0),B(0)$ se voltea al interpolar el plano en el $A(1),B(1)$ plano), pero el mapeo es bastante sencillo. Así que parece que se trata de una curva cuadrática sobre una superficie esférica. Se ve bien. ¿Tiene un nombre?

Puedo encontrar referencias a los polinomios de Bernstein-Bezier en una esfera, pero esto parece ser algo diferente.

Animated curve example

En este ejemplo, $A(0)$ es de color rojo, $B(0)$ (normalmente cubierto) es de color rosa, $A(1)$ es verde, $B(1)$ es cian, el punto final es azul. El amarillo y el naranja representan el plano por el que $A(0),B(0)$ rotar para interpolar en $A(1),B(1)$ . Cambio los parámetros de la curva mientras gira.

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Barney Puntos 1

Una forma de enfocar esta cuestión te lleva a un área muy interesante de las matemáticas llamada geometría algebraica . Por desgracia, no sé casi nada de geometría algebraica. Intentaré dar algunas ideas para empezar, pero sería estupendo que la gente que sabe más sobre el tema aportara mejores respuestas.


Antes de intentar averiguar qué es "una parábola en una esfera", asegurémonos de entender qué es una parábola en un plano.

La ecuación general de una parábola es $$Ax^2 + Bxy + Cy^2 + Dx + Ey + F = 0,$$ con la restricción de que $B^2 - 4AC$ debe ser cero. Si se establece $B$ y $C$ a cero, y $E$ a uno negativo, verás que la ecuación más conocida $$Ax^2 + Dx + F = y$$ es sólo un caso especial de la general.

Si se elimina la restricción de que $B^2 - 4AC$ debe ser cero, la ecuación $$Ax^2 + Bxy + Cy^2 + Dx + Ey + F = 0$$ puede describir una parábola, una elipse o una hipérbola. Estas formas se denominan "curvas cuadráticas" porque se describen mediante ecuaciones cuadráticas, es decir, ecuaciones polinómicas en las que la mayor potencia es dos.

En lugar de tratar de generalizar las parábolas a una esfera, tratemos de generalizar todo las curvas cuadráticas a una esfera.


Una esfera, al igual que un plano, es una superficie bidimensional, pero lo más fácil es pensar que una esfera flota en un espacio tridimensional. Por ejemplo, podemos pensar en una esfera como el conjunto de soluciones de la ecuación $$x^2 + y^2 + z^2 = 1.$$ Para equiparar la esfera y el plano, imaginemos también nuestro plano flotando en el espacio tridimensional. Por ejemplo, podemos pensar en el plano como el conjunto de soluciones de la ecuación $$z = 0.$$

En tres dimensiones, una curva cuadrática en el plano se describe mediante un sistema de dos ecuaciones: $$\begin{cases} Ax^2 + Bxy + Cy^2 + Dx + Ey + F = 0 \\ z = 0. \end{cases}$$ La primera ecuación es la que vimos antes, y la segunda ecuación dice que la curva tiene que estar en el plano.

En dos dimensiones, la primera ecuación era la ecuación cuadrática más general posible. En tres dimensiones, podemos hacer que la primera ecuación sea más general sumando todas las posibles $z$ términos: $$\begin{cases} Ax^2 + Bxy + Cxz + Dy^2 + Eyz + Fz^2 + Gx + Hy + Iz + J = 0 \\ z = 0. \end{cases}$$ Esto no cambia en absoluto las formas que estamos describiendo, ya que al sustituir la segunda ecuación en la primera se obtiene la $z$ los términos desaparecen.

Ahora, si alguien nos pregunta qué es una curva cuadrática en un plano, tenemos una respuesta muy bonita.

En tres dimensiones, una curva cuadrática en un plano se describe mediante un sistema de dos ecuaciones: una ecuación cuadrática y la ecuación de un plano.

Y si alguien nos pregunta qué es una curva cuadrática en una esfera, tampoco tendremos que pensar mucho para dar una respuesta.

En tres dimensiones, una curva cuadrática en una esfera se describe mediante un sistema de dos ecuaciones: una ecuación cuadrática y la ecuación de una esfera.

De hecho, podríamos adelantarnos y decir que...

En tres dimensiones, una curva cuadrática en SUPERFICIE se describe mediante un sistema de dos ecuaciones: una ecuación cuadrática y la ecuación de SUPERFICIE .

En dos dimensiones, la forma descrita por una sola ecuación cuadrática es unidimensional, por lo que se llama curva cuadrática. En tres dimensiones, la forma descrita por una sola ecuación cuadrática es bidimensional, y se llama "superficie cuadrática". Utilizando esta terminología, podemos hacer nuestra definición de una curva cuadrática en una superficie aún más bonita.

En tres dimensiones, una curva cuadrática en SUPERFICIE es la intersección entre SUPERFICIE y una superficie cuadrática.


Ahora que hemos decidido qué son las curvas cuadráticas sobre una esfera, lo más obvio es empezar a dibujarlas. Personalmente, las curvas cuadráticas me parecen un poco aburridas, pero las curvas cúbicas quedan muy bien. (Espera, ¿qué es una curva cúbica? ¡Descúbrelo!)

Si te cansas de dibujar, aquí tienes algunos rompecabezas que puedes masticar.

  1. Las superficies cuadráticas $x^2 + 3y^2 - z^2 - \tfrac{1}{2} = 0$ y $2y^2 - 2z^2 + \tfrac{1}{2} = 0$ recortar la misma curva cuando se cruzan con la esfera $x^2 + y^2 + z^2 = 1$ . ¿Por qué? Encuentra todas las superficies cuadráticas que cortan esta curva en la esfera.

  2. El sistema $$\begin{cases} x^3y + xy^3 + xyz^2 - xy - yz + x = 0 \\ x^2 + y^2 + z^2 = 1 \end{cases}$$ describe una curva cuadrática en la esfera, aunque la primera ecuación no sea cuadrática. ¿Por qué? Encuentra todas las formas en que puedes cambiar la primera ecuación y seguir obteniendo la misma curva en la esfera.

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