Квадратриса — плоска трансцендентна крива, що визначається кінематично. Винайдена софістом Гіппієм (V століття до н. е.), використовувалась в античні часи для розв'язання задач квадратури круга та трисекції кута.
Кінематичне визначення
Розглянемо квадрат (рис. 1), в який вписано сектор чверті круга. Нехай точка рівномірно рухається по дузі від точки до точки ; одночасно відрізок рівномірно рухається з позиції в позицію . Нарешті, вимагатимемо, щоб обидва рухи завершилися одночасно. Тоді точка перетину радіуса та відрізка опише квадратрису (позначена червоним).
Рівняння кривої
В полярних координатах:
ВиведенняВиведемо рівняння квадратриси у полярних координатах. Нехай — радіус кола, — поточний кут , — полярний радіус. Для зручності введемо час , який за період руху зміняватиметься з 0 до 1. Тоді рівномірний рух точки по дузі довжиною можна виразити рівнянням:
Рівномірний рух відрізка виразиться рівнянням:
Виключаючи з рівнянь , отримаємо остаточно:
в прямокутних координатах можна записати рівняння квадратриси в наступному вигляді:
ВиведенняПриводимо рівняння в полярних координатах до наступного стану:
Врахувавши , отримаємо
Із геометричних міркувань: . Тоді рівняння постане у вигляді:
Беремо тангенс обох частин:
тобто
Трисекція кута
Трисекція кута, тобто поділ довільного кута на три рівні частини, за допомогою квадратриси здійснюється елементарно. Нехай (рис. 1) — деякий кут, третину якого треба побудувати. Алгоритм поділу наступний: Знаходимо точку на квадратрисі і її ординату . Відкладаємо на відрізку його третю частину; отримаємо точку . Знаходимо на квадратрисі точку з ординатою . Проводимо промінь . Кут — шуканий. Доведення даного алгоритму витікає з рівномірності обох рухів, що утворюють квадратрису.
Очевидно також, що аналогічними діями можна поділити кут на будь-яке число рівних частин.
Квадратура круга
Тут завдання ставиться таким чином: побудувати квадрат з такою самою площею, як у заданого круга радіуса . Алгебраїчно це означає рішення рівняння : .
Побудуємо для початкового круга квадратрису, як на рис. 1. Можна показати, що абсциса її нижньої точки дорівнює . Відобразимо це у вигляді пропорції: , де — довжина кола. Наведене співвідношення дозволяє побудувати відрізок довжини . Прямокутник із сторонами і буде мати потрібну площу, а побудувати рівновеликий йому квадрат — справа неважка.
Див. також Дінострат Квадратура круга Трисекція кута
Посилання Quadratrix of Hippias на MacTutor archive. Quadratrix of Hippias на Convergence.