Преобразование прямой при инверсии

 

При инверсии прямая, проходящая через центр инверсии, преобразуется сама в себя. Как обстоит дело с прямой, не проходящей через центр инверсии?

Теорема. При инверсии прямая, не проходящая через центр инверсии, преобразуется в окружность, проходящую через центр инверсии.

Доказательство. Пусть щ (О, r) – базисная окружность (рис. 22), а – данная прямая. Опустим из точки О перпендикуляр ОА на прямую а. Пусть Аґ - точка, инверсная точке А, а г – окружность, имеющая диаметром ОАґ.

 

Рис. 22

 

При инверсии окружность г преобразуется в прямую а (по теореме из пункта 1.5). в силу свойства взаимности прямая а преобразуется в окружность г.

Заметим, что по ходу доказательства мы выяснили способ построения окружности, инверсной данной прямой.

 

1.7 Инвариантные окружности. Сохранение углов при инверсии

 

При инверсии базисная окружность преобразуется в себя. Но существуют и другие окружности, обладающие таким свойством.

Вспомним некоторые определения.

Углом между двумя линиями в точке их пересечения Т называется угол между касательными к этим линиям, проведенным в точке Т.

Две окружности называются ортогональными, если они пересекаются под прямым углом. Если две окружности ортогональны, то их радиусы, проведенные в точку пересечения, перпендикулярны между собой, и наоборот.

 

Рис. 23

 

Отсюда вытекает способ построения окружностей, ортогональных данной окружности щ в данной точке Т. для этого достаточно на касательной t к окружности щ в точке Т выбрать произвольную точку О1 и построить окружность щ1 (О1, О1Т), которая и будет искомой (рис. 23).

Теорема. Для того чтобы окружность, отличная от базисной окружности, преобразовалась при инверсии в себя, необходимо и достаточно, чтобы она была ортогональна базисной окружности.

Доказательство. 1) Достаточность. Пусть окружность г (О1, r1) (рис. 24) ортогональна базисной окружности щ (О, r). Докажем, что окружность г преобразуется в себя.

Рис. 24

 

Пусть Р – произвольная точка окружности г. Проведем прямую ОР. Она пересечет окружность г еще в некоторой точке Р1 (если прямая ОР касается окружности г, то за Р1 примем точку Р).

Так как окружность г ортогональна окружности щ, то радиус ОТ, соединяющий центр инверсии с точкой пересечения окружностей, касается окружности г. Поэтому ОР ОР1 = ОТ2 = r2, так что точка Р1 инверсна точке Р. Итак, при инверсии относительно окружности щ каждая точка Р окружности г преобразуется в точку Р1, также лежащую на окружности г.

Принимая во внимание свойство взаимности инверсных точек, можно заключить также, что и обратно: каждая точка окружности г служит образом некоторой точки этой же окружности. Таким образом, окружность г преобразуется в себя.

2) Необходимость. Пусть окружность г, отличная от базисной окружности инверсии, преобразуется в себя. Докажем, что г – окружность, ортогональная базисной. Так как окружность г отлична от окружности щ, то она содержит точку Р, не лежащую на щ. Пусть точка Р1 инверсна точке Р (рис. 24); тогда одна из двух точек Р и Р1 находится вне, а другая внутри окружности щ. Следовательно, окружность г пересекает окружность щ. Обозначим через Т одну из точек их пересечения. Покажем, что ОТ – касательная к окружности г. Это можно установить способом «от противного». Допустим, что, помимо точки Т, прямая ОТ встречает окружность г еще в точке Т1. Заметим, что точки Р и Р1 расположены по одну сторону от точки О, так что точка О расположена вне окружности г. В силу известного свойства секущих, проведенных из одной и той же точки к окружности, ОТ ОТ1 = ОР ОР1 = r2. И так как ОТ = r, то и ОТ1 = r. Следовательно, точка Т1 должна совпасть с точкой Т, вопреки допущению. Итак, ОТ – касательная к окружности г. Следовательно, окружности щ и г ортогональны.

Теорема. Если окружность проходит через две взаимно инверсные точки, то при инверсии она преобразуется в себя.

Доказательство. Пусть окружность г проходит через точки Р и Рґ, инверсные относительно окружности щ (О, r). Тогда ОР ОРґ = r2. Ясно, что точка О вне окружности г. Пусть Q – произвольная точка на окружности г (рис. 25).

 

Рис.25

 

Проведем луч ОQ, и пусть он встречает окружность г в точках Q и Qґ (в случае касания луча ОQ с окружностью г Qґ≡ Q), тогда ОQ OQґ = OP OPґ = r2, т. е. точка Qґ инверсна точке Q. Итак, если какая-либо точка лежит на окружности г, то инверсная ей точка также лежит на этой окружности. Отсюда заключаем, что при инверсии окружность г преобразуется в себя.

Следствие. Окружность, проходящая через две взаимно инверсные точки, ортогональна к базисной окружности инверсии. Все окружности, проходящие через две взаимно инверсные точки, образуют эллиптический пучок, состоящий из окружностей, ортогональных базисной окружности инверсии.

Пусть через точку М проходят две линии г1 и г2. предположим, что существует единственная касательная к каждой из этих линий в точке М. пусть при инверсии точка м преобразуется в точку М′, а линии г1 и г2 соответственно в линии г1′ и г2′. Оказывается, что угол между линиями г1′ и г2′ в точке М′ равен углу между линиями г1 и г2 в точке М.

Лемма. Если при инверсии относительно окружности щ (О, r) точка М и проходящая через нее линия г преобразуется в точку М′ и линию г′, то линии г и г′ в этих точках образуют с прямой ОМ равные углы.

 

Рис. 26

 

Доказательство. Пусть Р (рис. 26) – произвольная точка на линии г, Р′ - ей инверсная точка; тогда Р′ лежит на г′.

Соединим М с Р, М′ с Р′. В силу леммы об антипараллельных прямых ∟ММ′Р′ = ∟МРО или ∟ММ′Р′ = ∟М′МР - ∟МОР… (1).

Пусть при неограниченном приближении точки Р вдоль линии г к точке М секущая МР стремится к положению МА, так что МА - касательная к линии г в точке М. Пусть ∟М′МА = ц. Тогда

lim ∟М′МР = ц.

P → M

В то же время, когда Р стремится к М вдоль линии г, угол МОР стремится к нулю. Поэтому, в силу равенства (1), угол ММ′Р′ также стремится к определенному пределу, равному ц. Таким образом, когда Р стремится к М вдоль линии г (и, следовательно, Р′ стремится к М′ на линии г′), секущая М′Р′ стремится к некоторому предельному положению М′А′. А′М′ - касательная к г′ в точке М′ (по определению касательной). Мы видим, что ∟ММ′А′ = ц. Лемма доказана.

Теорема. Если две линии г1 и г2 и точка их пересечения М преобразуются в некоторой инверсии соответственно в линии г1′ и г2′ и точку М′, то угол между линиями г1 и г2 в точке М равен углу между линиями г1′ и г2′ в точке М′.

 

Рис. 27

 

Доказательство. Пусть а1 и а2 – касательные к г1 и г2 в точке М, а1′ и а2′ - касательные к г′1 и г′2 в точке М′ (рис. 27).

Будем предполагать, что ни одна из прямых а1 и а2 не совпадают с прямой ОМ, где О – центр инверсии; в противном случае доказательство только упрощается. Прямой ММ′ плоскость разбивается на две полуплоскости. Выберем в одной из них на каждой прямой а1, а2 и а′1, а′2 по одной точке: А1 и А2; А1′ и А2′. В силу леммы

∟М′МА1 = ∟ ММ′А1′ (2)

∟М′МА2 = ∟ ММ′А2′ (2′).

Пусть для определенности ∟М′МА2 < ∟М′МА1, отсюда ∟А2МА1 = ∟М′МА1 - ∟М′МА2 и ∟ А2′М′А1′ = ∟ ММ′А1′ - ∟ ММ′А2′ , так что в силу равенств (2) и (2′) ∟А1′М′А2′ = ∟А1МА2. Теорема доказана.

Следствие. Если две линии касаются в некоторой точке, отличной от центра инверсии, то при инверсии они преобразуются в две линии, которые касаются в соответственной точке.

1.8 Инверсия и осевая симметрия.

Можно установить далеко идущую аналогию в свойствах инверсии и осевой симметрии. Для этого напомним некоторые свойства инверсии.

1. Инверсия сохраняет угол пресечения двух линий, меняя при этом его ориентацию.

2. Прямая, ортогональная базисной окружности, преобразуется в себя.

3. Базисная окружность преобразуется в себя.

4. Всякая окружность, ортогональная базисной, преобразуется в себя.

5. Всякая окружность или прямая преобразуется в окружность или прямую.

6. Две точки тогда и только тогда инверсны относительно некоторой базисной окружности, если они являются вершинами пучка окружностей, ортогональных к базисной.

Если в этих предложениях слово «инверсия» заменить словами «осевая симметрия», выражение «базисная окружность» - через «ось симметрии» и «инверсные точки» - через «симметричные точки», то получим свойства осевой симметрии.

Покажем, что в известном смысле осевую симметрию можно рассматривать как предельный случай инверсии. Пусть базисная окружность инверсии щ (О, r) проходит через точку А (рис. 28), так что ОА = r. Обозначим через а касательную к окружности щ в точке А.

Рис. 28

 

Пусть, деле, Р – некоторая данная точка, Рґ - инверсная ей точка относительно окружности щ. Представим себе, что центр инверсии неограниченно удаляется от точки А вдоль луча Ао, так что радиус инверсии ОА неограниченно возрастает.

В известном смысле можно говорить, что при этом окружность щ (О, r) неограниченно приближается к прямой а, «вырождается» в эту прямую. Оказывается, что при этом точка Рґ будет перемещаться по плоскости, неограниченно приближаясь к точке Р1, симметричной с точкой Р относительно прямой А. Докажем это.

Для определенности положим, что точка Р и точка О лежат по разные стороны от прямой а (рис. 28). Опустим из точки Р перпендикуляр РN на прямую а и перпендикуляр РL на прямую ОА. Пусть РN = р, РL = m. Из точки Рґ, инверсной точке Р относительно окружности щ (О, r), также опустим перпендикуляры РґF и РґК на прямые а и ОА. Нам нужно показать, что РґF→ р и РґК→ m, если r → ∞. Действительно,

 

РґF = КА = r - ОРґ Cosб = r –  Cosб = r –  =

= r -  = . Но

tgб = , и поэтому

Sin2б =  =  =  = .

Следовательно, PґF =  = .

Отсюда видно, что РґF → р, когда r → ∞. С другой стороны, РґК = = ОРґ Sinб = =  = .

Отсюда ясно, что РґК→ m, когда r→ ∞.

Изложенные здесь изображения показывают, что целесообразно расширить понятие об инверсии так, чтобы можно было рассматривать осевую симметрию как специальный случай инверсии. Для этого условимся называть «окружностью в широком смысле слова» любую окружность и любую прямую. Тогда можно оба преобразования – инверсию и симметрию относительно прямой – объединить в одно понятие с помощью следующего определения. Точка Рґ называется обратной точке Р (или сопряженной точке Р) относительно окружности (в широком смысле) щ, если точки Р и Рґ являются вершинами пучка окружностей ортогональных к щ. Такое преобразование, при котором каждой точке Р сопоставляется сопряженная ей точка Рґ относительно окружности (в широком смысле) щ, назовем отражением от окружности щ. В том случае, когда щ является окружностью в узком (обычном) смысле, наше преобразование представляет инверсию относительно щ. Если же щ – прямая, то рассматриваемое преобразование является симметрией относительно этой прямой.

Инверсор

 

Существуют приборы с помощью которых можно без всяких вычислений и без привлечения обычных инструментов геометрических построений вычертить линию, инверсную любой данной линии.

Впервые инверсор был предложен французским капитаном Поселье в 1864 году. Этот прибор получил известность только через семь лет, когда он был зависимо от Поселье изобретен петербургским студентом Липкиным, видимо, под влиянием идей П. Л. Чебышева.

«Клетка Поселье», как принято называть этот инверсор, состоит из шести стержней, связанных шарнирами (рис. 29). Четыре из них составляют ромб PAQB. Остальные два стержня равны между собой, но каждый из них длиннее стороны ромба PAQB.

Обозначим РА через а, ОА через l, а разность l2 – a2 через R2. Предположим, что точка О закреплена на плоскости. Тогда при любом положении точки Р на плоскости точка Q будет ей инверсна относительно окружности щ (О, R). В самом деле: 1) Р и Q лежат на одном луче, исходящем из точки О, и 2) ОР ОQ = (ОС - РС) (ОС + РС) = ОС2 – РС2 = (l2 – АС2) – (а2 – АС2) = l2 – а2 = R2.

 

Рис. 29

Когда точка описывает какую-нибудь линию г, точка Q описывает инверсную ей линию гґ. В частности, когда Р описывает окружность, проходящую через точку О, точка Q опишет прямую. Таким образом, инверсор Поселье позволяет преобразовать вращательное движение в прямолинейное. Если нужно преобразовать в инверсии окружность радиуса r, то к инверсору в точке Р шарнирно присоединяется стержень МР длины r. Если точки О и М закреплены неподвижно так, что стержни ОА и ОВ могут вращаться около точки О, а стержень МР - около точки М (рис. 30), то точка Р опишет дугу некоторой окружности, а точка Q – дугу инверсной ей окружности или прямолинейный отрезок (в случае, если ОМ = МР).

 

Рис. 30

 

Инверсор Гарта. Пусть четыре стержня связаны шарнирно так, как указано на рисунке 31. узлы А, В, С и D являются здесь вершинами равнобочной трапеции, причем АВ = СD = d, АD = СВ = l. Пусть О, Р, и Q три точки на этих стержнях, причем  =  = . В таком случае точки О, Р и Q лежат на одной прямой, параллельной основанию трапеции АСDВ. Предположим, что точка О закреплена на плоскости, а четыре стержня как-то расположены на этой плоскости. Оказывается, что при любом расположении механизма произведение ОР ОQ постоянно.

Рис. 31

 

Покажем это. Обозначим через с1,  через с2; отсюда  = с1,  = с2. Поэтому ОР  ОQ = с1 с2 ВD АС.

Опустим из В и D перпендикулярны ВВ1 и DD1 на АС.

Тогда АС ВD = АС В1D1 = (AD1 + D1C)  (AD1 - AB1) = (AD1 +D1C) (AD1 – D1C) = AD12 – D1C2 = (AD2 – D1D2) – (CD2 – DD12) = AD2 – CD2 = l2 – d2.

Поэтому ОР ОQ = с1 с2 ( l2 – d2). Обозначим с1 с2 ( l2 – d2) через r2. тогда ОР ОQ = r2, так чтобы точки Р и Q инверсны относительно окружности щ (О,r). Когда точка Р опишет какую-либо линию, точка Q опишет инверсную ей линию. В частности, если точка Р будет перемещаться по окружности, проходящей через точку О, инверсная ей точка Q будет перемещаться по прямой.

Для удобства инверсного преобразования окружности, проходящей через центр инверсии, присоединяют к четырем рассмотренным стержням еще один стержень МР, который шарнирно связан со стержнем АD в точке Р и может вращаться около неподвижной точки М, причем МР = МО. Расположение стержней в механизме видно из рисунка 32.

Рис. 32