เนฟรอยด์

ในทางเรขาคณิตเนฟรอยด์ ( มาจากภาษากรีกโบราณνεφρός (nephrós) ' ไต' ) คือเส้นโค้งระนาบ ชนิดหนึ่ง เป็น เส้นโค้งเอพิไซคลอยด์ชนิดหนึ่งซึ่งรัศมีของวงกลมเล็กจะต่างจากรัศมีของวงกลมใหญ่ด้วยอัตราส่วนครึ่งหนึ่ง
ชื่อ
แม้ว่าคำว่าเนฟรอยด์จะถูกใช้เพื่ออธิบายเส้นโค้งอื่นๆ แต่คำนี้ถูกนำมาใช้กับเส้นโค้งในบทความนี้โดยRichard A. Proctorในปี พ.ศ. 2421 [ 1 ] [ 2 ]
นิยามที่เข้มงวด
เนฟรอยด์คือ
- เส้นโค้งพีชคณิตดีกรี6
- เอพิไซคลอยด์ที่มีสองแฉก
- เส้นโค้งปิดระนาบอย่างง่าย = เส้นโค้งจอร์แดน
สมการ

พาราเมตริก
ถ้าวงกลมเล็กมีรัศมีวงกลมคงที่นั้นมีจุดกึ่งกลางและรัศมีมุมการกลิ้งของวงกลมเล็กคือและชี้จุดเริ่มต้น (ดูแผนภาพ) จากนั้นจะได้การแสดงผลแบบพาราเมตริก :
แผนที่ที่ซับซ้อนแผนที่วงกลมหน่วยไปยังเนฟรอยด์[ 3 ]
การพิสูจน์การแสดงแทนแบบพาราเมตริก
การพิสูจน์การแสดงแทนแบบพาราเมตริกทำได้ง่ายโดยใช้จำนวนเชิงซ้อนและการแสดงแทนในระนาบเชิงซ้อนการเคลื่อนที่ของวงกลมเล็กสามารถแบ่งออกเป็นการหมุนสองครั้ง ในระนาบเชิงซ้อน การหมุนของจุดหนึ่งรอบจุด(จุดกำเนิด) โดยมุมสามารถทำได้โดยการคูณจุด( จำนวนเชิงซ้อน ) โดยดังนั้น
- การหมุนรอบจุดโดยมุมเป็น,
- การหมุนรอบจุดโดยมุมเป็น :\quad z\mapsto ze^{i\varphi } }
จุดหนึ่งของเนฟรอยด์เกิดจากการหมุนของจุดโดย และการหมุนเวียนที่ตามมาด้วย:
- .
จากตรงนี้จึงได้รับ
(สูตรต่างๆ)มีการใช้ฟังก์ชันตรีโกณมิติ (ดูฟังก์ชันตรีโกณมิติ )
โดยนัย
การใส่และลงในสมการ
แสดงให้เห็นว่าสมการนี้เป็นการแสดงเส้นโค้งโดย ปริยาย
การพิสูจน์การแสดงแทนโดยปริยาย
กับ
หนึ่งได้รับ
ปฐมนิเทศ
ถ้าจุดยอดแหลมอยู่บนแกน y การแสดงผลแบบพาราเมตริกจะเป็นดังนี้
และโดยนัย:
คุณสมบัติเมตริก
สำหรับเนฟรอยด์ที่อยู่เหนือ
การพิสูจน์ข้อความเหล่านี้ใช้สูตรที่เหมาะสมกับเส้นโค้ง ( ความยาว ส่วนโค้งพื้นที่และรัศมีของความโค้ง ) และการแสดงแบบพาราเมตริกข้างต้น
และอนุพันธ์ของสิ่งเหล่านั้น
- การพิสูจน์ความยาวส่วนโค้ง
- .
- หลักฐานสำหรับพื้นที่นั้น
- .
- การพิสูจน์รัศมีของความโค้ง

การก่อสร้าง
- สามารถสร้างได้โดยการกลิ้งวงกลมที่มีรัศมีด้านนอกของวงกลมคงที่ที่มีรัศมีดังนั้น เนฟรอยด์จึงเป็นเอพิไซคลอยด์
เนฟรอยด์เปรียบเสมือนซองของดินสอที่ประกอบด้วยวงกลมหลายวง
- ปล่อยไปเถอะวงกลมและจุดของเส้นผ่านศูนย์กลางจากนั้นซองจดหมายของดินสอวงกลมซึ่งมีจุดกึ่งกลางอยู่บนและกำลังสัมผัสกันเป็นเนฟรอยด์ที่มีกลีบ.
การพิสูจน์
อนุญาตเป็นวงกลมโดยมีจุดกึ่งกลางและรัศมีเส้นผ่านศูนย์กลางอาจอยู่บนแกน x (ดูแผนภาพ) กลุ่มวงกลมมีสมการดังนี้:
เงื่อนไขของซองจดหมายคือ
สามารถตรวจสอบจุดของเนฟรอยด์ได้อย่างง่ายดายเป็นวิธีแก้ปัญหาของระบบและด้วยเหตุนี้จึงเป็นจุดของซองจดหมายของดินสอวงกลม
เนฟรอยด์เปรียบเสมือนซองของดินสอที่ขีดเขียนเป็นเส้นๆ


เช่นเดียวกับการสร้างรูปหัวใจโดยใช้กลุ่มเส้นดินสอเป็นรูปทรงซองจดหมาย ขั้นตอนต่อไปนี้ก็ใช้ได้เช่นกัน:
- วาดวงกลม แล้วแบ่งเส้นรอบวงออกเป็นส่วนๆ ที่มีระยะห่างเท่ากันด้วยจุดต่างๆ (ดูแผนภาพ) และหมายเลขเรียงลำดับกัน
- วาดคอร์ด:(เช่น จุดที่สองเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสามเท่า)
- โครงสร้างโดยรวมของคอร์ดเหล่านี้มีรูปร่างคล้ายไต
การพิสูจน์
การพิจารณาต่อไปนี้ใช้สูตรตรีโกณมิติสำหรับ เพื่อความง่ายในการคำนวณ จึงแสดงการพิสูจน์สำหรับเนฟรอยด์ที่มีจุดยอดแหลมบนแกน y สมการของเส้นสัมผัส : สำหรับเนฟรอยด์ที่มีการแสดงแบบพาราเมตริก
- :
จากนั้นจึงกำหนดเวกเตอร์ปกติในตอนแรก สมการของเส้นสัมผัสเป็น:
สำหรับจะได้ส่วนปลายแหลมของเนฟรอยด์ ซึ่งไม่มีเส้นสัมผัส สำหรับ สามารถหารได้ด้วยเพื่อให้ได้มา
สมการของคอร์ด : ลากไปยังวงกลมที่มีจุดกึ่งกลางและรัศมี: สมการของคอร์ดที่ผ่านจุดสองจุดเป็น:
สำหรับคอร์ดนั้นเสื่อมลงจนถึงจุดหนึ่ง สำหรับสามารถหารได้ด้วยและได้สมการของคอร์ด:
มุมทั้งสองมีการกำหนดความหมายที่แตกต่างกัน (คือครึ่งหนึ่งของมุมการกลิ้งคือพารามิเตอร์ของวงกลม ซึ่งกำหนดคอร์ดไว้แล้ว) สำหรับจะได้เส้นเดียวกัน ดังนั้นเส้นคอร์ดใดๆ จากวงกลมด้านบนจะเป็นเส้นสัมผัสกับเนฟรอยด์และ
- เนฟรอยด์คือส่วนห่อหุ้มของเส้นคอร์ดของวงกลม
เนฟรอยด์เป็นเหมือนสารกัดกร่อนครึ่งวงกลม


ข้อพิจารณาที่ได้กล่าวไว้ในหัวข้อก่อนหน้านี้เป็นข้อพิสูจน์ว่า ส่วนโค้งเว้าของครึ่งวงกลมมีรูปร่างคล้ายไต
- ถ้าหากรังสีแสงขนานในระนาบตัดกับครึ่งวงกลมสะท้อนแสง (ดูแผนภาพ) รังสีสะท้อนเหล่านั้นจะสัมผัสกับรูปเนฟรอยด์
การพิสูจน์
วงกลมอาจมีจุดกำเนิดเป็นจุดกึ่งกลาง (ดังในส่วนก่อนหน้า) และรัศมีของวงกลมคือวงกลมมีการแสดงผลแบบพาราเมตริก
เส้นสัมผัสที่จุดวงกลมมีเวกเตอร์ปกติ รังสีสะท้อนมีเวกเตอร์ตั้งฉาก (ดูแผนภาพ)และมีจุดวงกลมอยู่ภายในดังนั้น รังสีสะท้อนจึงเป็นส่วนหนึ่งของเส้นตรงที่มีสมการ
ซึ่งสัมผัสกับเนฟรอยด์ของส่วนก่อนหน้า ณ จุด
- (ดูด้านบน)

การยืดและหดของเนฟรอยด์

อีโวลูท
เส้นวิวัฒนาการของเส้นโค้งคือตำแหน่งของจุดศูนย์กลางความโค้งโดยละเอียด: สำหรับเส้นโค้งด้วยรัศมีของความโค้งวิวัฒนาการมีตัวแทน
กับหน่วยปกติที่วางแนวอย่างเหมาะสม
สำหรับเนื้องอกชนิดเนฟรอยด์ จะได้ผลลัพธ์ดังนี้:
- ส่วนที่ขยายตัวของเนฟรอยด์คือเนฟรอยด์อีกอันหนึ่งที่มีขนาดครึ่งหนึ่งและหมุนไป 90 องศา (ดูแผนภาพ)
การพิสูจน์
เนฟรอยด์ดังที่แสดงในภาพมีรูปแบบการแสดงผลแบบพาราเมตริก
เวกเตอร์ปกติหน่วยที่ชี้ไปยังจุดศูนย์กลางความโค้ง
- (ดูหัวข้อด้านบน)
และรัศมีของความโค้ง(ดูหัวข้อเกี่ยวกับคุณสมบัติทางเมตริก) ดังนั้นเส้นโค้งอีโวลูตจึงมีรูปแบบการแสดงดังนี้:
ซึ่งเป็นเนฟรอยด์ที่มีขนาดครึ่งหนึ่งและหมุนไป 90 องศา (ดูแผนภาพและหัวข้อ§ สมการด้านบน)
อินโวลูต
เนื่องจากส่วนที่ขยายตัวของเนฟรอยด์หนึ่งอันก็คือเนฟรอยด์อีกอันหนึ่ง ดังนั้นส่วนที่หดตัวของเนฟรอยด์นั้นก็คือเนฟรอยด์อีกอันหนึ่งเช่นกัน เนฟรอยด์ดั้งเดิมในภาพคือส่วนที่หดตัวของเนฟรอยด์ที่มีขนาดเล็กกว่า

การกลับด้านของเนฟรอยด์
การผกผัน
ลากผ่านวงกลมโดยมีจุดกึ่งกลางและรัศมีแผนที่เนฟรอยด์ด้วยสมการ
บนเส้นโค้งดีกรี 6 ด้วยสมการ
- (ดูแผนภาพ)
ลิงก์ภายนอก
- Mathworld: เนฟรอยด์
- Xahlee: nephroid