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Círculo de Carlyle

En matemáticas , un círculo de Carlyle es un círculo determinado en un plano de coordenadas asociado con una ecuación cuadrática ; recibe su nombre de Thomas Carlyle . El círculo tiene la propiedad de que las soluciones de la ecuación cuadrática son las coordenadas horizontales de las intersecciones del círculo con el eje horizontal . Los círculos de Carlyle se han utilizado para desarrollar construcciones con regla y compás de polígonos regulares .

Definición

Círculo de Carlyle de la ecuación cuadrática x 2  −  sx  +  p  = 0.

Dada la ecuación cuadrática

x 2  −  sx  +  p  = 0

El círculo en el plano de coordenadas que tiene como diámetro el segmento de línea que une los puntos A (0, 1) y B ( sp ) se denomina círculo de Carlyle de la ecuación cuadrática. [1] [2] [3]

Definición de propiedad

La propiedad definitoria del círculo de Carlyle se puede establecer así: la ecuación del círculo que tiene como diámetro el segmento AB es

x ( x  −  s ) + ( y  − 1)( y  −  p ) = 0.

Las abscisas de los puntos donde el círculo interseca el eje x son las raíces de la ecuación (obtenidas al establecer y  = 0 en la ecuación del círculo)

x 2  −  sx  +  p  = 0.

Construcción de polígonos regulares

Construcción de un pentágono regular a partir de círculos de Carlyle
Construcción de un heptadecágono regular utilizando círculos de Carlyle
Construcción de un polígono regular de 257 polígonos utilizando círculos de Carlyle

Pentágono regular

El problema de construir un pentágono regular es equivalente al problema de construir las raíces de la ecuación

z 5  − 1 = 0.

Una raíz de esta ecuación es z 0  = 1 que corresponde al punto P 0 (1, 0). Quitando el factor correspondiente a esta raíz, las demás raíces resultan ser raíces de la ecuación.

z4 + z3  +  z2  +  z  +1 =  0  .

Estas raíces se pueden representar en la forma ω, ω 2 , ω 3 , ω 4 donde ω = exp (2 i π /5). Sean estas correspondientes a los puntos P 1 , P 2 , P 3 , P 4 .

p 1  = ω + ω 4 , p 2  = ω 2  + ω 3

tenemos

p 1  +  p 2 = −1, p 1 p 2  = −1. (Esto se puede demostrar rápidamente como verdadero mediante la sustitución directa en el cuártico anterior y observando que ω 6 = ω, y ω 7 = ω 2 .)

Entonces p 1 y p 2 son las raíces de la ecuación cuadrática

x2  +  x -  1=0.

El círculo de Carlyle asociado con esta ecuación cuadrática tiene un diámetro con extremos en (0, 1) y (−1, −1) y centro en (−1/2, 0). Los círculos de Carlyle se utilizan para construir p 1 y p 2 . De las definiciones de p 1 y p 2 también se deduce que

p 1  = 2 cos(2 π /5), p 2  = 2 cos(4 π /5).

Estos se utilizan luego para construir los puntos P 1 , P 2 , P 3 , P 4 .

A continuación se presenta el procedimiento detallado que involucra círculos de Carlyle para la construcción de pentágonos regulares . [3]

  1. Dibuja un círculo en el que inscribir el pentágono y marca el punto  central O.
  2. Dibuje una línea horizontal a través del centro del círculo. Marque una intersección con el círculo como  punto B.
  3. Construye una línea vertical a través del centro. Marca una intersección con el círculo como punto A.
  4. Construya el punto M como el punto medio de O y B.
  5. Dibuje un círculo centrado en M a través del punto A. Este es el círculo de Carlyle para x 2  +  x  − 1 = 0. Marque su intersección con la línea horizontal (dentro del círculo original) como el punto W y su intersección fuera del círculo como el punto V. Estos son los puntos p 1 y p 2 mencionados anteriormente.
  6. Dibuje un círculo de radio OA y centro W. Interseca el círculo original en dos de los vértices del pentágono.
  7. Dibuje un círculo de radio OA y centro V. Interseca el círculo original en dos de los vértices del pentágono.
  8. El quinto vértice es la intersección del eje horizontal con el círculo original.

Heptadecágono regular

Existe un método similar que utiliza círculos de Carlyle para construir heptadecágonos regulares . [3] La figura de la derecha ilustra el procedimiento.

257-gon regular

Para construir un 257-gono regular utilizando círculos de Carlyle, se deben construir hasta 24 círculos de Carlyle. Uno de ellos es el círculo para resolver la ecuación cuadrática x 2  +  x  − 64 = 0. [3]

Regular 65537-gon

Existe un procedimiento que implica círculos de Carlyle para la construcción de un 65537-gono regular . Sin embargo, existen problemas prácticos para la implementación del procedimiento; por ejemplo, requiere la construcción del círculo de Carlyle para la solución de la ecuación cuadrática x 2  +  x  − 2 14  = 0. [3]

Historia

Solución de Carlyle al problema de Leslie. El segmento de línea negro se divide en dos segmentos de tal manera que los dos segmentos forman un rectángulo (verde) que tiene el mismo área que otro rectángulo dado (rojo).

Según Howard Eves (1911-2004), el matemático John Leslie (1766-1832) describió la construcción geométrica de las raíces de una ecuación cuadrática con un círculo en su libro Elements of Geometry y señaló que esta idea fue proporcionada por su ex alumno Thomas Carlyle (1795-1881). [4] Sin embargo, si bien la descripción en el libro de Leslie contiene una construcción circular análoga, se presentó únicamente en términos geométricos elementales sin la noción de un sistema de coordenadas cartesianas o una función cuadrática y sus raíces: [5]

Dividir una línea recta, ya sea interna o externamente, de modo que el rectángulo bajo sus segmentos sea equivalente a un rectángulo dado.

—  John Leslie, Elementos de geometría , prop. XVII, pág. 176 [5]

En 1867 el ingeniero austríaco Eduard Lill publicó un método gráfico para determinar las raíces de un polinomio ( método de Lill ). [6] Si se aplica a una función cuadrática, entonces se obtiene la figura trapezoidal de la solución de Carlyle al problema de Leslie (ver gráfico) con uno de sus lados siendo el diámetro del círculo de Carlyle. En un artículo de 1925 GA Miller señaló que una ligera modificación del método de Lill aplicado a una función cuadrática normada produce un círculo que permite la construcción geométrica de las raíces de esa función y dio la definición moderna explícita de lo que más tarde se llamaría círculo de Carlyle. [7]

Eves utilizó el círculo en el sentido moderno en uno de los ejercicios de su libro Introducción a la historia de las matemáticas (1953) y señaló la conexión con Leslie y Carlyle. [4] Publicaciones posteriores comenzaron a adoptar los nombres de círculo de Carlyle , método de Carlyle o algoritmo de Carlyle , aunque en los países de habla alemana también se utiliza el término círculo de Lill ( Lill-Kreis ). [8] DeTemple utilizó en 1989 y 1991 círculos de Carlyle para idear construcciones con compás y regla para polígonos regulares, en particular el pentágono , el heptadecágono , el 257-gono y el 65537-gono . Ladislav Beran describió en 1999 cómo se puede utilizar el círculo de Carlyle para construir las raíces complejas de una función cuadrática normada. [9]

Referencias

  1. ^ E. John Hornsby, Jr.: Soluciones geométricas y gráficas de ecuaciones cuadráticas. The College Mathematics Journal, vol. 21, n.º 5 (noviembre de 1990), págs. 362-369 (JSTOR)
  2. ^ Weisstein, Eric W. "Carlyle Circle". De MathWorld—A Wolfram Web Resource . Consultado el 21 de mayo de 2013 .
  3. ^ abcde DeTemple, Duane W. (febrero de 1991). "Círculos de Carlyle y simplicidad de Lemoine en construcciones de polígonos" (PDF) . The American Mathematical Monthly . 98 (2): 97–208. doi :10.2307/2323939. JSTOR  2323939. Archivado desde el original (PDF) el 21 de diciembre de 2015 . Consultado el 6 de noviembre de 2011 .(JSTOR)
  4. ^ Véase, por ejemplo, Hornsby, DeTemple o Howard Eves: An Introduction into the History of Mathematics . Holt, Rinehart y Winston, 3.ª edición, 1969, pág. 73
  5. ^ de John Leslie: Elements of geometry and plane trigonometry: With an appendix, and copious notes and illustrations (Elementos de geometría y trigonometría plana: con un apéndice y abundantes notas e ilustraciones ). Archibald Constable & Co, 3.ª edición, 1817, págs. 176, 340 (copia en línea (Google)). Nótese que el comentario sobre Carlyle no está incluido en ediciones anteriores del libro (1809, 1811).
  6. ^ Lil, E. (1867). "Résolution graphique des équations numériques de tous degrés à une seule inconnue, et description d'un instrument inventé dans ce but" [Solución gráfica de ecuaciones numéricas de todos los grados que tienen una única incógnita y descripción de un instrumento inventado para este fin]. Nuevos anales de matemáticas . 2da serie (en francés). 6 : 359–362.
  7. ^ GA Miller: Solución geométrica de la ecuación cuadrática . The Mathematical Gazette, vol. 12, n.º 179 (diciembre de 1925), págs. 500-501 (JSTOR)
  8. ^ Rainer Kaenders (ed.), Reinhard Schmidt (ed.): Mit GeoGebra mehr Mathematik verstehen . Springer Spektrum, 2.ª edición, 2014, ISBN 978-3-658-04222-6 , págs. 68-71 (alemán) 
  9. ^ Ladislav Beran: Las raíces complejas de una ecuación cuadrática a partir de un círculo . The Mathematical Gazette, vol. 83, núm. 497 (julio de 1999), págs. 287-291 (JSTOR)