Zone de règles – Wikipedia

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En géométrie, une zone est appelée Zone de contrôle Si l’on passe directement à travers chaque point de la zone contenue dans la zone.

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Cela s’applique, par exemple, aux niveaux, aux cylindres, aux cônes, aux hyperboloïdes uniques et aux paraboloïdes hyperboliques. Dans les deux derniers, même passez par chaque point deux Droit (il y a des surfaces à double courbure). Une zone de contrôle où chaque point plus que deux Allez directement, ne peut être qu’un seul niveau. [d’abord]

Dans le cas de surfaces régulières avec une expansion finie (par exemple les cylindres) et sans auto-pénétration (par exemple pour le bowling et les surfaces de vis de contrôle), les générateurs sont limités aux itinéraires.

Concepté la zone de contrôle Règle – comme dans Kippregel – la signification originale du latin règle (Coup de couteau, linéaire), [2] Le calmes en anglais aujourd’hui règle Ou français règle est inclus.

Les zones régulières sont utilisées dans l’architecture comme des zones facilement modéliques, car malgré la courbure, elles peuvent être composées de composants droits ou – dans le cas du béton – ils peuvent être allumés avec des planches droites. Les grandes tours de refroidissement, par exemple, ont souvent la forme d’un hyperboloïde unique. Lorsque la construction de canaux de ventilation et dans le cas des travaux de plomberie, la manipulation de la tôle est utilisée, c’est-à-dire la manipulation des surfaces de commande telles que les segments de cylindre et de cône, car ceux-ci peuvent être façonnés en se couchant simplement sans étirer ni comprimer le matériau (comme avec le processus plus complexe de la formation solide).
Voir aussi Traitement (effectuer la géométrie)

Dans le cas de la modélisation géométrique, les zones de règles z. B. utilisé pour produire des zones de coons.

Avec deux courbes de Bezier, la surface standard génère comme courbes principales (rouge, vert)

Définition

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Présentation des paramètres Une zone de contrôle peut être utilisée par un affichage de paramètres du formulaire

  • (CR)

décrire. Chaque courbe de zone

X ( dans 0 , dans ) {displayStyle; mathbf {x} (u_ {0}, v);}

avec un paramètre fixe

dans = dans 0 {DisplayStyle u = u_ {0}}

est une génération (droite) et la courbe

c ( dans ) {displayStyle; mathbf {c} (u);}

est le Courbe principale . Les vecteurs

r ( dans ) {displayStyle; mathbf {r} (u);}

Décrire que Direction de la production.

La zone de contrôle décrite par la représentation des paramètres * peut également être utilisée à l’aide de la courbe

d ( dans ) = c ( dans ) + r ( dans ) {displayStyle; mathbf {d} (u) = mathbf {c} (u) + mathbf {r} (u);}

Décrivez comme une deuxième courbe de plomb:

  • (CD)

Inversement, vous pouvez assumer deux coins qui ne coupent pas les coins et donc recevoir la représentation d’une zone de contrôle avec le champ directionnel

r ( dans ) = d ( dans ) c ( dans ) . {displayStyle; mathbf {r} (u) = mathbf {d} (u) -mathbf {c} (u).}

Lors de la génération d’une zone de contrôle à l’aide de deux courbes principales (ou d’une courbe de plomb et d’une direction), non seulement la forme géométrique de ces courbes est importante, mais la représentation des paramètres de béton a une influence significative sur la forme de la surface de contrôle. Voir les exemples d)

Pour les études théoriques (voir ci-dessous), la présentation est (CR) avantageux parce que le paramètre

dans {DisplayStyle V}

ne se produit qu’en un terme.

Cylindre circulaire vertical [ Modifier | Modifier le texte source ]]

Zones régulières: cylindre, cône

X 2 + et 2 = un 2 {displaystyle x ^ {2} + y ^ {2} = a ^ {2}}

:

Voici

c ( dans ) = ( un cos dans , un péché dans , 0 ) T , r ( dans ) = ( 0 , 0 , d’abord ) T , d ( dans ) = ( un cos dans , un péché dans , d’abord ) T . {displayStyle quad mathbf {c} (u) = (acos u, asin u, 0) ^ {t}, quad mathbf {r} (u) = (0,0,1) ^ {t}, quad mathbf {d} (u) = (acos u, asin u, 1) ^ {t}.}

Cône de district vertical [ Modifier | Modifier le texte source ]]

X 2 + et 2 = Avec 2 {displaystyle x ^ {2} + y ^ {2} = z ^ {2}}

:

Voici

c ( dans ) = ( cos dans , péché dans , d’abord ) T = r ( dans ) , d ( dans ) = ( 2 cos dans , 2 péché dans , 2 ) T . {displayStyle quad mathbf {c} (u) = (cos u, sin u, 1) ^ {t}; =; mathbf {r} (u), quad mathbf {d} (u) = (2cos u, 2Sin u, 2) ^ {t}.}


On aurait également comme courbe principale

c ( dans ) = ( 0 , 0 , 0 ) T {displayStyle Mathbf {c} (u) = (0,0,0) ^ {t}}

, la pointe du cône, et comme champ de direction

r ( dans ) = ( cos dans , péché dans , d’abord ) T {displayStyle Mathbf {r} (u) = (cos u, sin u, 1) ^ {t}}

peut choisir. Avec tout le bowling, vous pouvez choisir la pointe comme courbe principale.

Espace en spirale [ Modifier | Modifier le texte source ]]

Zone Wendel comme zone de contrôle

La courbe de plomb

c ( dans ) = ( 0 , 0 , k dans ) T {displayStyle mathbf {c} (u) = (0,0, ku) ^ {t};}

est l’axe z, la direction de la direction

r ( dans ) = ( cos dans , péché dans , 0 ) T {displayStyle; mathbf {r} (u) = (cos u, sin u, 0) ^ {t};}

Et la deuxième courbe de plomb

d ( dans ) = ( cos dans , péché dans , k dans ) T {displayStyle Mathbf {d} (u) = (cos u, sin le, ku) ^ {t}

est une ligne de vis.

Cylindre, cône et hyperboloïde [ Modifier | Modifier le texte source ]]

Zone de règles: hyperboloïde unique pour

La représentation des paramètres

A deux cercles unitaires horizontaux comme courbes principales. Le paramètre supplémentaire

Phi {displaystyle varphi}

permet aux représentations paramétriques des cercles de varier. Pour

Hyperbolie paraboloïde [ Modifier | Modifier le texte source ]]

Hyperbolie paraboloïde

Si les directives dans (CD) Le droit

êtes-vous, vous obtenez

C’est le paraboloïde hyperbolique que les 4 points

un d’abord , un 2 , b d’abord , b 2 {displayStyle Mathbf {a} _ {1},; mathbf {a} _ {2},; mathbf {b} _ {1},; mathbf {b} _ {2}}

Interpolit bilinéaire. [3] Car l’exemple du dessin est

Et le paraboloïde hyperbolique a l’équation

Avec = X et {Displaystyle z = xy}

.

Möbiusband [ Modifier | Modifier le texte source ]]

La zone de contrôle

avec

Contient une bande de Möbius.

Le dessin montre le Möbiusband pour

0.3 dans 0.3 {displayStyle -0.3Leq Vleq 0.3}

.

Il est facilement calculé que

le ( c˙( 0 ) , r˙( 0 ) , r ( 0 ) ) 0 {DisplayStyle det (mathbf {dot {c}} (0);,; mathbf {dot {r}} (0);,; mathbf {r} (0)); neq; 0}

est (voir la section suivante). D. h. Cette réalisation d’un groupe Möbius est antibordable . Cependant, il existe également des bandes de meubles handicapées. [4]

Exemples supplémentaires [ Modifier | Modifier le texte source ]]

  1. L’enveloppe d’un niveau sauvé
  2. Oloïde
  3. Zone catalane
  4. Konoïde
  5. Surfaces de contrôle

Pour les dérivations requises ici, il est toujours supposé qu’ils existent également.

Afin de calculer le vecteur normal en un point, vous avez besoin des dérivations partielles de la présentation

X ( dans , dans ) = c ( dans ) + dans r ( dans ) {displayStyle quad mathbf {x} (u, v) = mathbf {c} (u) + v; mathbf {r} (u)}

:

Parce que le produit scalaire

n r = 0 {displayStyle Mathbf {n} cdot mathbf {r} = 0}

est (un produit spatal avec deux mêmes vecteurs est toujours 0!),

r ( dans 0 ) {displayStyle mathbf {r} (u_ {0})}

Un vecteur tangent à chaque point

X ( dans 0 , dans ) {displayStyle Mathbf {x} (u_ {0}, v)}

. Les niveaux tangentiels le long de ceux-ci sont identiques

r˙× r {displayStyle Mathbf {dot {r}} fois mathbf {r}}

à plusieurs reprises à partir de

c˙× r {displayStyle Mathbf {dot {c}} fois mathbf {r}}

est. Cela n’est possible que si les trois vecteurs

c˙, r˙, r {displayStyle Mathbf {dot {c}};,; mathbf {dot {r}};,; mathbf {r}}

se trouvent en un seul niveau, c’est-à-dire H. sont linéaires dépendants. La dépendance linéaire de trois vecteurs peut être déterminée en utilisant le déterminant de ces vecteurs:

  • Les niveaux tangentiels le long de la ligne droite
Un produit qui s’applique à ce que cela signifie torsal .
  • Une zone de contrôle
À chaque point [5] d. C’est à ce moment que chaque producteur est torsal. Une zone de guidon signifie donc également Torse .

Propriétés d’une zone de guidon: [6]

  • La génération représente une foule de lignes d’asymptotot. Ils sont également une foule de lignes de courbure.
  • Une zone verrouillable est soit un cylindre (général), soit un cône (général), soit une zone tangente (zone composée des tangentes d’une courbe de pièce).

Des scores de connexion de deux ellipses et leur manipulation

La condition déterminante pour les zones de manipulation vous donne un moyen de déterminer numériquement un stent de connexion entre deux courbes de plomb données. L’image montre un exemple d’une application: un stent de connexion entre deux ellipses (un horizontal, l’autre vertical) et sa manipulation. [7]

Il y a un aperçu de l’utilisation de zones handicapables dans la zone CAO Conception interactive des surfaces développables [8]

UN historique L’aperçu des zones de manutention donne Surfaces de développement: leur histoire et leur application [9]

Définition [ Modifier | Modifier le texte source ]]

À cylindrique La surface standard génère toutes parallèles, c’est-à-dire H. Tous les vecteurs de direction

r ( dans ) {displayStyle mathbf {r} (u)}

sont parallèles et avec lui

r˙( dans ) = 0 . {displayStyle {dot {mathbf {r}}} (u) = mathbf {0}.}

Avec deux parallèles, tous les points ont la même distance par rapport à l’autre.

À pas La surface de contrôle cylindrique est la production voisine produisant des glissements et il y a un point d’une main droite qui a une distance minimale de l’autre. Dans ce cas, c’est

r˙( dans ) 0 . {DisplayStyle {dot {dot {r}} (u) neq mathbf {0}.}

Un tel point est appelé Point central . L’intégralité des points centraux forment une courbe qui Doubler ou Gorge ou Taille . [dix] Ce dernier nom décrit la ligne stricte d’un hyperboloïde de rotation unique (voir ci-dessous) très clairement.

  • Dans le point central d’une personne productrice, la quantité de Gausskelkümmung assume un maximum [11] .

Une zone cylindrique n’a pas de points centraux et donc pas de ligne stricte, ou vif: pas de taille. Dans le cas d’une surface de cône (générale), la ligne stricte / la taille dégénère à un point, la pointe du cône.

Présentation des paramètres [ Modifier | Modifier le texte source ]]

Dans les considérations suivantes, il est supposé que la zone de contrôle

n’est pas cylindrique et suffisamment différencié, plus précisément:

La dernière capacité a l’avantage que

r r˙= 0 {displayStyle quad mathbf {r} cdot {dot {mathbf {r}}} = 0quad}

est ce qui rend les factures très simplifiées. Dans le cas d’exemples en béton, cette propriété n’est généralement pas remplie au début. Mais ce qui peut être corrigé par standardisation.

Deux producteurs voisins

À la fin des considérations, alors va

D dans 0 {DisplayStyle Delta Uto 0}

. C’est pourquoi les approximations linéaires suivantes (vous remplacez la courbe à proximité par sa tangente) sont utiles:

Entretoise

Le carré de la distance entre deux points du droit

Paramètre du point central

La distance devient minime lorsque la fonction

D ( dans d’abord , dans 2 ) {displayStyle d (v_ {1}, v_ {2})}

devient minimal. Et c’est le cas si les dérivations partielles de la première fois sont nulles:

De ce système d’équations pour

dans d’abord , dans 2 {displayStyle v_ {1}, v_ {2}}

suit

D dans 0 {DisplayStyle Delta Uto 0}

:

Présentation des paramètres

La représentation des paramètres de la ligne stricte est donc

Surfaces à double contrôle

Situé sur l’hyperboloïde intelligent et le paraboloïde hyperbolique deux Trops de lignes droites. Une ligne stricte appartient à chaque foule. Les deux lignes strictes s’effondrent lorsque l’hyperbolod de rotation est simple.

Exemples [ Modifier | Modifier le texte source ]]

1) hyperboloïde de rotation unique

Les points centraux ont tous le paramètre

dans = 0 {displayStyle v = 0}

, d. H. La ligne stricte est le circuit unitaire au niveau X-Y.

Lignes de striction (rouge) de la rotation à une seule forme hyperboloïde, paraboloïde hyperbolique et spirale
2) Rades Konoid

Avec un conoïde droit, l’axe est la plaine commune de tous les producteurs.
(En général: une paire de points de deux ardoises de vent est la distance la plus courte si sa connexion est l’abondance courante de la ligne droite.)

L’axe d’un conoïde droit est également sa ligne stricte.

Des exemples de konoïdes droits sont le paraboloïde hyperbolique

Avec = X et {Displaystyle z = xy}

Et la zone en spirale.

Minerai à vis, violet: courbe de plomb et ligne stricte
3) Torse

Chacun du cylindre général et du cône différent de la surface de contrôle du manique (Torse) est une zone tangente, c’est-à-dire H. L’intégralité des producteurs de la surface de contrôle se compose de la foule de tangentes d’une courbe donnée

c {DisplayStyle Gamma}

. (Dans l’image, la courbe est une ligne de vis. Cela crée une vis orale.) Généralement, ce qui suit s’applique

La ligne stricte une à travers une courbe
4) Möbiusband

Ligne de striction (rouge) d’un groupe de Moebius

Pour la description d’un möbiusband spécifié ci-dessus

(À l’image: pour que la ligne stricte soit complètement sur la zone affichée, la bande a été élargie.)
Le vecteur de direction

r {displaystyle mathbf {r}}

Dans ce cas, c’est déjà un vecteur unitaire, ce qui simplifie considérablement la facture.

Le paramètre des résultats du point central respectif

dans = 4cosu1+4cos2u{displayStyle v = {frac {4cos u} {1 + 4cos ^ {2} u}}}

et enfin la représentation des paramètres de la ligne stricte

Il est facile de voir que cette courbe dans le niveau

2 et + Avec = 0 {displaystyle 2y + z = 0}

mensonges.
Pour montrer que ce niveau courbe même

une ellipse avec un centre

On montre que les coordonnées x et y sont l’équation

(x+25)2(35)2+ y215= d’abord {displayStyle {tfrac {(x + {tfrac {2} {5}}) ^ {2}} {({tfrac {3} {5}}) ^ {2}}} + {tfrac {y ^ {2}} {tfrac {1} {5}})

remplir. Ainsi, le plan d’étage de la ligne stricte est une ellipse et donc la ligne stricte comme une projection parallèle.

La ligne stricte est plus facile grâce à l’affichage des paramètres

décrire (voir ellipse).

Vous pouvez deux surfaces de contrôle du guidon le long

g {displaystyle g}

ou.

H {displaystyle h}

couper et les assembler pour que

g {displaystyle g}

et

H {displaystyle h}

Une zone composite commune avec un nouveau niveau tangentiel commun de cela.

Dans le cas d’une zone de contrôle non manquante et de guidon, la zone composée le long des générateurs communs ne peut pas être différenciée. Le générateur commun est visible comme un bord, avec le bord de différents points de la production considérablement claire. Dans le cas de deux surfaces de contrôle non verrouillables, la zone composée peut être différenciée le long des générateurs communs, mais ce n’est généralement pas le cas.

Les zones régulières peuvent être utilisées non seulement en mathématiques, mais aussi en dehors de celle-ci dans les travaux de construction et d’ingénierie. Un bon exemple de cela est le travail de l’architecte / mathématicien Antoni Gaudí. La voûte de la família La Sagrada décrit plusieurs hyperboloïdes, paraboloïdes hyperboliques et hélicoïdes. [13] [14]

  • Manfredo P. Do Carmo: Géométrie différentielle des courbes et des zones . Springs-Publinging, 2013, 2013, ISBN 978-3-322-85498-0, P. 132 147 $
  • G. White: Courbes et surfaces pour conception géométrique aidée par ordinateur . Academic Press, 1990, ISBN 0-12-249051-7
  • D. Hilbert, S. Cohn-Vossen: Géométrie vive . Springs-Publinging, 2013, 2013, ISBN 978-3-6662-36685-1, p. 181
  • W. Kühnel: Différentielgéomètre . View, 2003, ISBN 3-528-17289-4
  • H. Schmidbauer: Pick -Up Surfaces: Un apprentissage de conception pour les praticiens . Springs-Publinging, 2013, 2013, ISBN 978-3-642-47353-1
  1. D. B. Fuks, Serge Tabachnikov: Il n’y a pas de surfaces non réglées non planes . Dans: Omnibus mathématique: trente conférences sur les mathématiques classiques . American Mathematical Society, 2007, ISBN 978-0-8218-4316-1, S. 228.
  2. Règle . Dans: Jacob Grimm, Wilhelm Grimm (éd.): dictionnaire allemand . Groupe 14 : R – Slate – (viii). S. Hirzel, Leipzig 1893 ( woerterbuchetz.de ).
  3. G. White: Courbes et surfaces pour conception géométrique aidée par ordinateur , Academic Press, 1990, ISBN 0-12-249051-7, S. 250
  4. W. Wunderlich: Via un guidon möbiusband , Books mensuels pour les mathématiques 66, 1962, pp. 276-289.
  5. W. Kühnel: Différentielgéomètre , S. 58–60
  6. G. White: S. 380
  7. CAD-Skript. (PDF; 2,9 Mb) S. 113
  8. Tang, Bo, Wallner, Pottmann: Conception interactive des surfaces développables (PDF; 3,3 Mo) dans: ACM trans. Graphique. , (Mois 2015), doi: 10.1145 / 2832906
  9. Snezana Lawrence: Surfaces de développement: leur histoire et leur application . Dans: Nexus Network Journal , 13 (3), octobre 2011, Deux: 10.1007 / S00004-011-0087-Z
  10. W. Kühnel: Différentielgéomètre , Vues, ​​2003, ISBN 3-528-17289-4, p88.
  11. M. P. Do Carmo: Géométrie différentielle des courbes et des zones , Jourter-Pblegly, 2013, 2013, ISB, 3322828 72 $, plimes
  12. W. Haack: Différentiels élémentaires , Springr-Publinging, 2013, 2013, ISBR 30348699509, S. 32
  13. au-dessus de Profitez de Geheimnis . Journal de Southgerman
  14. Sur les zones régulières de la “Sagrada Familia”. Blogs scientifiques
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