Die Lemniskate

Lemniskate.png
Seien F1F_1 und F2F_2 zwei Punkte, die den Abstand 2a2a zueinander haben. Dann ist die Lemniskate diejenige ebene Kurve, bei der für jeden Punkt PP der Kurve gilt: das Produkt der Abstände r1=F1P‾r_1=\overlineI{F_1P} und r2=F2P‾r_2=\overlineI{F_2P} hat den Wert a2a^2, also:
r1⋅r2=a2r_1\cdot r_2=a^2.(1)

Formel 15W8 (Gleichung der Lemniskate)

 
 

Herleitung

Um die Gleichung der Lemniskate in Polarkoordinaten herzuleiten, benutzen wir den Kosinussatz. Es gilt im Dreieck △OF1P\triangle OF_1P:
r12=r2+a2−2ar⋅cos⁡φr_1^2=r^2+a^2-2ar\cdot \cos\phi,
und im Dreieck △F2OP\triangle F_2OP:
r22=r2+a2−2ar⋅cos⁡(π−φ)r_2^2=r^2+a^2-2ar\cdot \cos(\pi-\phi)=r2+a2+2ar⋅cos⁡φ=r^2+a^2+2ar\cdot \cos\phi.
Dann gilt mit (1):
a4=r12r22a^4=r_1^2r_2^2 =(r2+a2−2ar⋅cos⁡φ)(r2+a2+2ar⋅cos⁡φ)=(r^2+a^2-2ar\cdot \cos\phi)(r^2+a^2+2ar\cdot \cos\phi) =(r2+a2)2−4a2r2cos⁡2φ=(r^2+a^2)^2-4a^2r^2\cos^2\phi
  ⟹  a4=r4+2a2r2+a4−4a2r2cos⁡2φ\implies a^4=r^4+2a^2r^2+a^4-4a^2r^2\cos^2\phi   ⟹  0=r2(r2+2a2−4a2cos⁡2φ)\implies 0=r^2(r^2+2a^2-4a^2\cos^2\phi)
  ⟹  0=r2+2a2(1−2cos⁡2φ)\implies 0=r^2+2a^2(1-2\cos^2\phi)
  ⟹  0=r2+2a2(−cos⁡2φ)\implies 0=r^2+2a^2(-\cos2\phi) (Satz 5316D)
  ⟹  r2=2a2cos⁡2φ\implies r^2=2a^2\cos2\phi
Damit haben wir die gesuchte Darstellung der Lemniskate in Polarkoordinaten gefunden. Damit die Gleichung erfüllt ist, muss cos⁡2φ≥0\cos2\phi\geq 0 gelten. Dies ist der Fall für φ∈[0,π4]∪[3π4,5π4]∪[7π4,2π]\phi\in\ntxbraceL{0,\dfrac \pi 4}\cup\ntxbraceL{\dfrac {3\pi} 4,\dfrac {5\pi} 4}\cup\ntxbraceL{\dfrac {7\pi} 4,2\pi}.
Um zu den kartesischen Koordinaten überzugehen benutzen wir die Beziehung cos⁡2φ=cos⁡2φ−sin⁡2φ\cos 2\phi=\cos^2\phi-\sin^2\phi (Satz 5220A) und Formel 15VP. Damit ergibt sich x2+y2=2a2(cos⁡2φ−sin⁡2φ)=2a2(x2r2−y2r2)x^2+y^2=2a^2(\cos^2\phi-\sin^2\phi)=2a^2\braceNT{\dfrac {x^2}{r^2}-\dfrac {y^2}{r^2}}, woraus wir (x2+y2)2=2a2(x2−y2)(x^2+y^2)^2=2a^2(x^2-y^2) erhalten. □\qed

Die Lemniskate überschneidet sich im Ursprung, rr nimmt den Wert 00 für φ=π4,3π4,5π4,7π4\phi=\dfrac \pi 4,\dfrac {3\pi} 4,\dfrac {5\pi} 4,\dfrac {7\pi} 4. Um den Winkel der Tangenten in diesem Punkt zu bestimmen berechnen wir zuerst die Ableitungen:
x˙=a2⋅−4sin⁡2φ2cos⁡2φ⋅cos⁡φ−a2cos⁡2φ⋅sin⁡φ\dot x=\dfrac a 2\cdot \dfrac {\uminus 4\sin 2\phi}{\sqrt{2\cos 2\phi}}\cdot \cos \phi-a\sqrt{2\cos 2\phi}\cdot\sin\phi =−a(2sin⁡2φ⋅cos⁡φ2cos⁡2φ+2cos⁡2φ⋅sin⁡φ2cos⁡2φ)=-a\braceNT{\dfrac{2\sin 2\phi\cdot\cos \phi}{\sqrt{2\cos 2\phi}}+\dfrac{2\cos 2\phi\cdot\sin\phi} {\sqrt{2\cos 2\phi}}} =−2asin⁡3φ2cos⁡2φ=-2a\dfrac {\sin 3\phi}{\sqrt{2\cos 2\phi}}
y˙=a2⋅−4sin⁡2φ2cos⁡2φ⋅sin⁡φ−a2cos⁡2φ⋅cos⁡φ\dot y=\dfrac a 2\cdot \dfrac {\uminus 4\sin 2\phi}{\sqrt{2\cos 2\phi}}\cdot \sin \phi-a\sqrt{2\cos 2\phi}\cdot\cos\phi =a(−2sin⁡2φ⋅sin⁡φ2cos⁡2φ+2cos⁡2φ⋅cos⁡φ2cos⁡2φ)=a\braceNT{-\dfrac{2\sin 2\phi\cdot\sin \phi}{\sqrt{2\cos 2\phi}}+\dfrac{2\cos 2\phi\cdot\cos\phi} {\sqrt{2\cos 2\phi}}} =2acos⁡3φ2cos⁡2φ=2a\dfrac {\cos 3\phi}{\sqrt{2\cos 2\phi}}.
Also y′=−cot⁡3φy'=-\cot 3\phi. Für φ=π4\phi=\dfrac \pi 4 ergibt sich dann y′=1y'=1, eine Gerade mit dem Anstieg 1 und dem Winkel 45°.

Ein Mathematiker ist eine Maschine, die Kaffee in Theoreme verwandelt.

Paul Erdös

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