雙扭線

雙扭線（lemniscate）是代數幾何中的名詞，是指8字型或是∞型的曲線^[1][2]，lemniscate源自拉丁文"lēmniscātus"，意思是「用緞帶裝飾」^[2]，或是指羊毛（緞帶的原料）^[1]。

伯努利雙扭線，以及其二個焦點

歷史和例子

Booth雙扭線

Booth雙扭線

Booth雙扭線的研究可以追溯到西元五世紀的希臘新柏拉圖主義哲學家及數學家普羅克洛，他考慮環面和一個和環面軸心平行的平面相交產生的圖形，他所觀測到的，大部份這類的截面會包括一個或是兩個卵形，不過若平面恰好和環面的內表面相切，其圖形會是一個8字型的圖案，普羅克洛稱為腳銬或是Hippopede（英語：Hippopede）。lemniscate這個名字最早是在十七世紀出現，19世紀的數學家James Booth（英語：James Booth (mathematician)）也曾研究此一曲線^[1]。

Booth雙扭線可以定義為四次多項式${\displaystyle (x^{2}+y^{2})^{2}-cx^{2}-dy^{2}}$的零集，其中參數d為負值。若參數d為正值，會得到Booth卵形（英語：oval of Booth）。

伯努利雙扭線

伯努利雙扭線

喬瓦尼·多梅尼科·卡西尼在1680年研究一系列的曲線，現今稱為卡西尼卵形線，是所有到兩個定點（圖形的焦點）距離乘積為常數的點形成的軌跡。在非常特殊的條件下（兩點距離的一半等於上述常數的平方根），所得的就是雙扭線。

約翰·白努利在1694年研究卡西尼卵形線中的雙扭線（現今稱為伯努利雙扭線，如上圖），他找到這曲線和戈特弗里德·萊布尼茨稍早提出的等時降線的關係。此曲線是多項式${\displaystyle (x^{2}+y^{2})^{2}-2a^{2}(x^{2}-y^{2})}$的零集。約翰·伯努利的哥哥雅各布·伯努利也在同一年研究該曲線，並且給了lemniscate的名稱^[3]，伯努利雙扭線也可以定義為所有由到兩定點距離之乘積為定值（兩定點之間距離平方的四分之一）的點的軌跡^[4]。伯努利雙扭線是特殊的Booth雙扭線，滿足${\displaystyle d=-c}$的條件，且其對應的環面內圓和環面截面的圓大小相同^[1]。雙扭線橢圓函數（英語：Lemniscatic elliptic function）是針對伯努利雙扭線，類似橢圓函數的函數，而高斯常數可用來定義雙扭線常數（Lemniscate常數），在計算伯努利雙扭線弧長時會用到。

赫羅諾雙紐線

赫羅諾雙紐線：x⁴−x²+y²=0的解集合^[5]

赫羅諾雙紐線（lemniscate of Gerono）也稱為8字型線或惠更斯雙紐線（lemniscate of Huygens），是四次方程式${\displaystyle y^{2}-x^{2}(a^{2}-x^{2})=0}$的解集合ref>Basset, Alfred Barnard, The Lemniscate of Gerono, An elementary treatise on cubic and quartic curves, Deighton, Bell: 171–172, 1901 [2017-10-28], （原始內容存檔於2016-12-04）.</ref>^[6]。Viviani曲線（英語：Viviani's curve）是由圓柱和圓相交所形成的三維曲線，也是8字型的曲線，赫羅諾雙紐線是Viviani曲線在特定平面上的投影^[7]。

其他

其他有8字型的代數曲線有

• 魔鬼曲線，是由四次方程${\displaystyle y^{2}(y^{2}-a^{2})=x^{2}(x^{2}-b^{2})}$所定義的曲線，曲線中有一部份為8字型^[8]。
• 瓦特曲線是由機械連桿形成的8字型曲線，瓦特曲線是六次方程${\displaystyle (x^{2}+y^{2})(x^{2}+y^{2}-d^{2})^{2}+4a^{2}y^{2}(x^{2}+y^{2}-b^{2})=0}$的解集合，伯努利雙扭線是瓦特曲線中的一個特例。

相關條目

• 日行跡，一年之中太陽在中午位置所形成8字形的軌跡
• 洛倫茨吸引子,三維動態系統，其外形類似雙扭線
• 多項式雙紐線（英語：Polynomial lemniscate），複數多項式絕對值的水平集
• 廣義圓錐曲線（英語：Generalized conic）
• 雙葉線

參考資料

1. Schappacher, Norbert, Some milestones of lemniscatomy, Algebraic Geometry (Ankara, 1995), Lecture Notes in Pure and Applied Mathematics 193, New York: Dekker: 257–290, 1997, MR 1483331
2. Erickson, Martin J., 1.1 Lemniscate, Beautiful Mathematics, MAA Spectrum, Mathematical Association of America: 1–3, 2011 [2017-10-28], ISBN 9780883855768, （原始內容存檔於2016-12-04）.
3. Bos, H. J. M., The lemniscate of Bernoulli, For Dirk Struik, Boston Stud. Philos. Sci., XV, Dordrecht: Reidel: 3–14, 1974 [2017-10-28], ISBN 9789027703934, MR 0774250, （原始內容存檔於2016-12-04）.
4. Langer, Joel C.; Singer, David A., Reflections on the lemniscate of Bernoulli: the forty-eight faces of a mathematical gem, Milan Journal of Mathematics, 2010, 78 (2): 643–682, MR 2781856, doi:10.1007/s00032-010-0124-5
5. Achtkurve.. [2017-10-28]. （原始內容存檔於2017-10-29）.
6. Chandrasekhar, S, Newton's Principia for the common reader, Oxford University Press: 133, 2003 [2017-10-28], ISBN 9780198526759, （原始內容存檔於2016-12-04）.
7. Costa, Luisa Rossi; Marchetti, Elena, Mathematical and Historical Investigation on Domes and Vaults, Weber, Ralf; Amann, Matthias Albrecht (編), Aesthetics and architectural composition : proceedings of the Dresden International Symposium of Architecture 2004, Mammendorf: Pro Literatur: 73–80, 2005.
8. Darling, David, devil's curve, The Universal Book of Mathematics: From Abracadabra to Zeno's Paradoxes, John Wiley & Sons: 91–92, 2004 [2017-10-28], ISBN 9780471667001, （原始內容存檔於2016-12-04）

外部連結

• Hazewinkel, Michiel (編), Lemniscates, 数学百科全书, Springer, 2001, ISBN 978-1-55608-010-4