У нас уже 176407 рефератов, курсовых и дипломных работ
Заказать диплом, курсовую, диссертацию


Быстрый переход к готовым работам

Мнение посетителей:

Понравилось
Не понравилось





Книга жалоб
и предложений


 






Название Теоретико—конструктивны е проблемы моделирования мнимык элементов в начертательной геометрии и ее приложениях
Количество страниц 380
ВУЗ МГИУ
Год сдачи 2010
Бесплатно Скачать 23084.doc 
Содержание Содержание
ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение... 8

1 Теоретико-конструктивные проблемы моделирования

мнимых элементов... 20

1.1 Историко-литературный обзор введения в геометрию

мнимых элементов и способов их моделирования... 20

1.1.1 Открытие геометрической интерпретации

комплексных чисел ... 20

1.1.2 Введение в геометрию мнимых элементов

и анализ способов их моделирования... 24

1.2 Проблемы моделирования мнимых элементов в геометрии... 35

1.2.1 Моделирование мнимых элементов в теории

алгебраических кривых и нелинейных преобразованиях... 35

1.2.2 Целесообразность моделирования мнимых элементов

в начертательной геометрии и ее приложениях... 40

1.3 Моделирование мнимых элементов в прикладных

технических задачах... 43

1.3.1 Вопросы моделирования картины электрического поля... 43

1.3.2 Анализ исследований повышения надежности

износостойких ионно-плазменных покрытий... 47

Выводы по разделу 1 и постановка задач исследований... 49

2 Теоретические основы моделирования и визуализации

мнимых элементов на плоскости... 50

2.1 Предлагаемый метод моделирования мнимых элементов... 50

2.1.1 Общие положения ... 50

2.1.2 Визуализация образов на полях с мнимыми

значениями координат точек... 54

<#

2.1.3 Структурная схема композиций исследуемых отображений ... 60

2.1.4 Система полей с действительными, мнимыми и квадратичными значениями координат точек... 64

2.2 Характерные свойства исследуемых отображений... 69

2.2.1 Определение инвариантных элементов, класса точек и

типа соответствий... 69

2.2.2 Отображения координатных сеток... 73

2.2.3 Структура полей и их классификация... 75

2.3 Анализ исследуемых отображений с проективных позиций... 79

* 2.3.1 Проективная модель квадратичного поля... 79

2.3.2 Проективный подход к метрическому определению

соответственных точек на координатной оси классическими приемами построений... 82

2.4 Графоаналитические исследования в разработке способов построения соответственных точек... 90

2.4.1 Построение соответственных точек в прямом отображении... 90

2.4.2 Исследование отображений в полярных координатах... 93

2.4.3 Анализ построений соответственных точек в

прямом отображении... 98

2.4.4 Построение соответственных точек в обратном

v* отображении ... 104

Выводы по разделу 2... 106

3 Отображения, преобразования и геометрический анализ

алгебраических кривых линий в плоскости... 107

3.1 Метрическая группа преобразований в исследуемых

отображениях... 107

3.1.1 Трансляция и вращение... 108

3.1.2 Отражения... 111

3.1.3 Гомотетия ... 118

3.2 Моделирование и визуализация мнимых элементов

в решении позиционных задач на плоскости... 125

3.2.1 Способы построения мнимых точек пересечения

прямой линии с коникой... 125

3.2.2 Построение мнимых точек при взаимном пересечении

коник... 130

3.3 Исследуемые отображения в геометрическом анализе алгебраических кривых линий... 133

3.3.1 Взаимные превращения коник квадратичного поля... 133

3.3.2 Геометрический анализ кривых линий четвертого и

высших порядков... 140

3.3.3 Взаимное пересечение кривых линий четвертого порядка ... 151

3.4 Моделирование мнимых элементов в преобразовании Гирста... 154

3.4.1 Моделирование мнимых F-точек... 154

3.4.2 Построение соответственных точек в эллиптической инволюции... 158

Выводы по разделу 3... 163

4 Исследования отображений на основе теории функций комплексного переменного... 164

4.1 Исследование и анализ функции отображения... 164

4.1.1 Исследование аналитичности функции отображения... 165

4.1.2 Анализ функции отображения... 168

4.1.3 Построение соответственных точек в комплексной

плоскости... 170

4.2 Функции комплексного переменного... 174

1 4.2.1 Функция w = — ... 174

z

4.2.2 Функция w = z2... 18°

4.2.3 Функция w = Jz... 186

4.2.4 Функция Жуковского w = — \ Z + —\... 191

2 )

z 1Q7

4.2.5 Функция w = е ...:...

4.2.6 Обзор тригонометрических функций... 201

4.3 Моделирование и визуализация точек с координатами

двух комплексных переменных... 204

4.3.1 Метод изображения комплексных точек... 204

4.3.2 Апробация метода моделирования и визуализации комплексных точек... 208

4.3.3 Анализ построений при моделировании точек с

комплексными координатами... 217

Выводы по разделу 4... 221

5 Основы моделирования и визуализации мнимых элементов

в трехмерном пространстве... 222

5.1 Построение геометрического аппарата исследуемых

отображений... 223

5.1.1 Принципы моделирования 3-полей... 223

5.1.2 Классификационные признаки и структура 3-полей... 227

5.1.3 Конструктивная и структурная схемы исследуемых отображений... 235

5.2 Квадратичное 3-поле... 241

5.2.1 Проективная модель квадратичного 3-поля... 241

5.2.2 Плоскости в квадратичном 3-поле... 244

5.2.3 Прямые линии в квадратичном 3-поле... 249

5.3 Отображения и преобразования в квадратичном 3-поле... 254

5.3.1 Характерные свойства и построение

соответственных точек... 254

5.3.2 Движения в квадратичном 3-поле... 256

Выводы по разделу 5... 271

6 Исследуемые отображения в вопросах начертательной геометрии и ее приложениях... 272

6.1 Моделирование и визуализация мнимых элементов в теории взаимного пересечения квадрик... 272

6.1.1 Квадрики с двумя точками соприкосновения... 272

6.1.2 Квадрики с общей плоскостью симметрии... 278

6.1.3 Случаи распадения биквадратной кривой

на действительную и мнимую части... 284

6.2 Вопросы формообразования поверхностей... 288

6.2.1 Формообразование поверхностей как прообразов

косой плоскости... 289

6.2.2 Аналитический метод формообразования косой плоскости

и ее прообразов... 291

6.2.3 Многомерный подход к формообразованию поверхностей

и геометрический аппарат их построения... 299

6.3 Исследуемые отображения в приложении к геометриям Кэли-Клейна... 307

6.3.1 Построение системы абсолютов и моделей плоскостей

неевклидовых геометрий... 308

6.3.2 Трансформация моделей неевклидовых плоскостей... 316

6.3.3 Определение расстояний между двумя точками

с позиции квадратичных координат... 328

Выводы по разделу 6... 334

7 Приложения к анализу физических явлений и решению

технических задач... 335

7.1 Исследуемые отображения в определении значений

физических величин в специальной теории относительности... 335

7.2 Перспективные направления в области изучения анизотропных свойств акустических и оптических кристаллов, теории электромагнитных полей... 340

7.3 Анализ построения и моделирования электрических полей... 347

7.3.1 Электростатическое поле двух разноименных

равных зарядов... 347

7.3.2 Электростатическое поле двух одноименных

равных зарядов... 355

7.3.3 Анализ картины электрического поля в камере осаждения износостойких покрытий... 363

Выводы по разделу 7... 376

Заключение... 377

Список использованных источников... 380

Введение



ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Начертательная геометрия, являясь на современном этапе учебной дисциплиной и базой прикладной геометрии, дает замечательный пример реализации своих методов в решении самых разнообразных задач, которые сводятся не только к элементарным построениям, но и отличаются большой наглядностью. Но эта дисциплина, постоянно совершенствуясь в образовательном и прикладном аспектах, до сих пор не имеет общеупотребительных способов решения задач с участием мнимых элементов (МЭ). Следовательно, графические построения не всегда находятся в полном соответствии с аналитическим решением той же задачи. В результате возникает проблема изображения МЭ на чертеже. Это обстоятельство явилось одной из главных причин отказа от чтения лекций по совместному курсу начертательной и аналитической геометрий (например, в МАИ), хотя параллельное изложение аналитических и синтетических методов было бы более эффективно при изучении студентами фундаментальных и специальных дисциплин.

Актуальность этой проблемы не ограничивается вопросами преподавания начертательной геометрии. Здесь также следует отметить особую значимость моделирования и изображения (визуализации) МЭ в таких областях знаний как основания геометрии (строение неевклидовых метрических геометрий), алгебраическая геометрия (теория алгебраических кривых линий и поверхностей, бирациональные преобразования), вопросы теории поля, позволяющие оперировать комплексными функциями, применяемыми для решения прикладных задач.

Представленная проблема моделирования и визуализации МЭ в начертательной геометрии, прежде всего, относится к задачам на взаимное пересечение алгебраических поверхностей. Например, биквадратная кривая при взаимном пересечении квадрик состоит из действительной и мнимой ветвей. Представление на чертеже в качестве решения только действительной ветви, нарушает известную теорему Безу. Но это только одна сторона исследуемого вопроса. Ана-

лиз известных теорем и решаемых на их основе задач показывает несоответствие полученного построения на чертеже сути теоремы. Например, теорема о линии пересечения двух квадрик, имеющих общую плоскость симметрии, утверждает, что ее проекцией на эту плоскость или плоскость ей параллельную является кривая второго порядка (не часть, а вся кривая). Но графически строится лишь часть указанной проекции линии пересечения. Следовательно, оставшаяся часть, которая на чертеже не строится, представляет собой проекцию или проекции мнимого пересечения рассматриваемых поверхностей. Или в теореме о двух точках пересечения любых двух кривых второго порядка, принадлежащих одной квадрике, в графических построениях не рассматривается случай, когда эти точки являются мнимыми.

Создатель начертательной геометрии Г. Монж, имея в виду достоинства и недостатки графических и аналитических способов решения задач, отметил следующее: «Следует пожелать, чтобы обе эти науки изучались вместе: начертательная геометрия внесла бы присущую ей наглядность а наиболее сложные аналитические операции, а анализ, в свою очередь, внес бы в геометрию свойственную ему общность» (С. 28)1

Поэтому на основании всего вышесказанного, можно утверждать, что одной из главных проблем в параллельном изучении графических и аналитических способов решения геометрических задач является обучение студентов изображению МЭ на поле чертежа.

Для указанных выше областей знаний, где вопросы изображения (визуализации) МЭ имеют важное значение, отметим, во-первых, проблему геометрической интерпретации получения неевклидовых геометрий Кэли - Клейна. Как известно, каждая из этих метрических геометрий характеризуется своим абсолютом и типом мероопределения длин отрезков и углов между прямыми линиями. Здесь следует отметить два основных положения, в которых приходится оперировать с мнимыми элементами: мнимыми точками как результатом пере-

1 Монж, Г. Начертательная геометрия/Г. Монж; Пер. В.Ф. Газе; Под общей ред. Т.П. Кравца. -Л.: Изд-во АН СССР, 1947.-291 с.

10

сечения прямой линии с абсолютом при эллиптическом типе мероопределения длины отрезка и мнимыми касательными, проведенными к абсолюту при таком же типе мероопределения величины угла между прямыми линиями. Кроме того, в некоторых геометриях сам абсолют является мнимым. Очевидно, имея метод моделирования МЭ, в том числе и несобственных, можно конструктивно подойти к моделированию всех девяти геометрий Кэли - Клейна, показав во взаимосвязи для каждой геометрии модель ее плоскости и соответствующий ей абсолют. Такая интерпретация может служить наглядным материалом для изучения основ неевклидовых геометрий.

Во-вторых, это вопросы алгебраической геометрии. Здесь наиболее значимыми как с теоретических, так и прикладных позиций следует отметить три аспекта, в которых целесообразно оперирование мнимыми элементами: формообразование алгебраических поверхностей; конструктивное определение характеристик алгебраических кривых линий; проведение анализа синтетических методов, применяемых в нелинейных (кремоновых) преобразованиях.

В теории алгебраических поверхностей недостаточно исследован вопрос их формообразования с позиции анализа координатных (главных) сечений этих поверхностей. В качестве указанных сечений могут выступать и коники, которые, как известно, имеют «мнимые продолжения», или «дополнения» (термин Ж.-В. Понселе). Следовательно, на основе этого можно прийти к способу формообразования поверхностей и этот вопрос требует обстоятельного рассмотрения.

Приоритет применения в геометрии МЭ принадлежит Ж.-В. Понселе. Пользуясь своим «принципом непрерывности», он отмечает целесообразность введения пары несобственных мнимых круговых (циклических) точек, через которые проходят все окружности, а также мнимой окружности, инцидентной несобственной плоскости, общей для всех сфер. Без такого понятия невозможно полно исследовать алгебраические кривые линии и поверхности, а также применять нелинейные алгебраические преобразования (кремоновы преобра-

11

зования), широко используемые для конструирования технических форм различного назначения.

Как известно характеристики алгебраических кривых линий определяют по формулам Ю. Плюккера. При этом часть точек исследуемых кривых и касательных, к ним проведенных, особенно при анализе кривых более высокого порядка, обязательно будут мнимыми. Поэтому наряду с этими формулами конструктивное определение характеристик кривых даст более ощутимый эффект, если их анализ проводить параллельно с визуализацией МЭ. То есть определять характеристики плоских алгебраических кривых на таких «полных» их моделях, на которых можно было бы наглядно показать как действительные, так и мнимые точки для определения порядка кривой, а также действительные и мнимые касательные для определения ее класса.

В кремоновых преобразованиях при построении соответственных точек также возникает необходимость рассматривать МЭ. Например, в центральных преобразованиях, когда слабоинвариантная прямая пересекает инвариантную кривую в двух мнимых двойных точках. Кроме того, имеет место такая специализация указанных выше преобразований, когда некоторые фундаментальные точки являются мнимыми. Поэтому как сам геометрический аппарат преобразований, так и конструируемые им алгебраические кривые целесообразно рассматривать с позиции визуализации МЭ.

В-третьих, это теория поля. Известно, что конформные отображения, задаваемые функциями комплексного переменного позволяют решать прикладные задачи в таких областях, как гидро- и аэродинамика (например, задачи на обтекание и моделирование профиля обтекания), электростатика (моделирование картины электростатических полей), термодинамика (вместо проводников электричества рассматриваются проводники тепла, а вместо разности потенциалов - разность температур) и др.

При этом в указанных задачах с позиции теории поля широко используется понятие комплексного потенциала, от него переходят к силовым функциям и потенциальным. Такой переход позволяет моделировать, например, силовые и

12

эквипотенциальные линии электростатического поля. При наличии определенных по знаку и форме зарядов (в гидродинамике им эквивалентно рассматриваются источники и стоки) возникают практические задачи по анализу этих линий. Их исследование и моделирование в прикладных задачах, например, для повышения качества ионно-плазменного покрытия изделий, приобретают практическую значимость.

Вследствие этого, на современном этапе разработка нового научного направления в начертательной геометрии по моделированию комплексной плоскости и пространства на действительной евклидовой плоскости является актуальной. Таким образом, объектом диссертационного исследования является совокупность теоретических и прикладных вопросов, в которых возникает необходимость моделирования мнимых элементов, а предметом исследований -мнимые элементы, конструктивное оперирование которыми является целесообразным в начертательной геометрии и других областях знаний.

На основании вышеизложенного определены цель и основные задачи диссертационного исследования, которому предшествовали разработки, выполненные в соответствии с планом фундаментальных исследований Министерства путей сообщения на кафедре «Начертательная геометрия и инженерная графика» Дальневосточного государственного университета путей сообщения (ДВГУПС).

Цель работы. Разработка теории моделирования мнимых элементов, обеспечивающей возможность их визуализации в синтетическом обосновании фундаментальных вопросов геометрии и конструктивных решениях теоретических и прикладных задач.

Поставленная цель требует решения следующих основных задач:

- на основе историко-литературного обзора введения в геометрию МЭ, анализа способов их моделирования, сформулировать наиболее важных теоретические и прикладные проблемы, требующие моделирование и визуализацию МЭ;

13

— разработать в проективной и метрической интерпретации теорию моделирования МЭ плоскости и метод их визуализации, позволяющие привести в полное соответствие аналитические и синтетические решения;

— на основании разработанного метода изображения МЭ плоскости предложить конструктивные способы в освещении ряда вопросов алгебраической геометрии, в частности теории алгебраических кривых и бирациональных преобразований;

- применить разработанный метод визуализации отображений известными комплексными функциями, имеющими прикладное значение в задачах теории поля;

— теоретические основы моделирования и визуализации МЭ плоскости обобщить на пространство трех измерений в проективной и метрической интерпретациях;

- применить разработанный метод моделирования и визуализации МЭ к решению задач начертательной геометрии, формообразованию поверхностей и получению неевклидовых геометрий по схеме Кэли — Клейна;

- исследовать возможности выполненных теоретических разработок в приложении к физическим процессам и явлениям, определить в соответствии с полученными результатами перспективные направления новых исследований, рассмотрев одно из них, направленное на повышение качества ионно-плазменного покрытия изделий из износостойких материалов.

Методика выполнения работы. Главной методической особенностью работы является рассмотрение вопросов как в метрической, так и проективной интерпретациях. Каждая из основных задач представляет собой комплекс взаимосвязанных вопросов, рассмотрение которых основывается на методах проективной, начертательной, аналитической, исчислительной, многомерной геометрий, теории функций комплексного переменного и теории поля, классических способов геометрических построений, программирования и компьютерной визуализации.

14

Теоретической базой настоящего исследования явились основополагающие работы:

- по проективной геометрии Ж.-В. Понселе, X. Штаудта, Я. Штейнера, М. Шаля, Э. Лагерра, Г. Ганкеля, Н.В. Ефимова, Н.А. Глаголева, Н.Ф. Четверухи-на, Г.Б. Гуревича и других ученых;

- по развитию идей неевклидовых геометрий Ф. Клейна, А. Кэли, А. Пуанкаре, В. Бляшке, В.Ф. Кагана, Д.М.Ю. Соммервилля, Б.А. Розенфельда, И.М. Яглома и их учеников;

- по исследованиям в аналитической и алгебраической геометрии К.А. Андреева, Э. Штуди, ВА. Реуса, Г. Дарбу, П.К. Рашевского, Д. Кокса, Дж. Литтла, Д. СГШи и других отечественных и зарубежных ученых;

- по вопросам геометрического моделирования в начертательной геометрии И.С. Джапаридзе, К.И. Валькова, З.А. Скопеца, включая способы построения мнимых элементов Ф.М. Суворова, В. Швана, П.В. Филиппова, Г.С. Иванова, А.Г. Гирша, К.К. Конакбаева;

- по автоматизации проектирования и визуализации геометрических объектов в области прикладной геометрии Ю.И. Бадаева, В.А. Бусыгина, В.Я. Волкова, Ю.И. Денискина, В,Г. Ли, В.Е. Михайленко, К.М. Наджарова, В.М. Най-дыша, B.C. Обуховой, А.Л. Подгорного, А.Д. Тузова, В.И. Якунина и их учеников.

Научная новизна. Научная новизна и теоретическая значимость работы заключается в том, что в диссертации для моделирования МЭ предложена система координатных проекционно-связанных полей: девяти плоских полей (2-поле) в двумерном случае и двадцати семи объемных (3-поле) - в трехмерном пространстве. В каждом случае система полей, состоящая из квадратичного, линейно-квадратичных и линейных полей, позволяет в зависимости от сочетания координат точек (действительных и мнимых) рассматривать их образы одновременно на нескольких полях с учетом возникающих между ними соответствий. Этот подход отличается от моделирования комплексной плоскости и комплексного пространства в многомерном действительном евклидовом про-

15

странстве достаточной простотой и не требует знаний многомерной геометрии, что является основным условием для ее овладения инженерно-техническими работниками. В итоге получены следующие результаты, имеющие научную новизну:

- установлено, что введением дополнительного квадратичного поля можно моделировать геометрические образы в полном объеме, включая их действительные и мнимые составляющие; при обобщении на трехмерный случай аналогичную роль играет квадратичное 3-поле;

- установлены характерные свойства соответствий, возникающих между указанными полями, включая определение инвариантных и слабоинвариантных элементов, а также структуры полей, выявленной на основе разработанной их классификации;

- разработаны конструктивные способы построения соответственных точек; для получения однозначных соответствий предложено линейно-квадратичные поля и квадратичное поле рассматривать как модели двух- и четырехлистных римановых поверхностей;

- на основе предложенного метода изображения МЭ разработаны способы моделирования абсолюта евклидовой плоскости и трехмерного пространства;

- разработана методика геометрического анализа и визуализации кривых высших порядков, позволяющая проследить в квадратичном поле их инцидентность, как действительным, так и мнимым областям;

- предложен способ графического определения характеристик плоских алгебраических кривых, полностью соответствующий известным формулам Ю. Плюккера, а также всех точек (действительных и мнимых) взаимного пересечения этих линий;

- предложен способ построения соответственных точек для бирациональ-ных преобразований в пучке слабоинвариантных прямых, на которых индуцируется эллиптическая инволюция, применительно к бирациональным преобразованиям; для одной из специализаций этих преобразований с двумя мнимыми

16

фундаментальными точками показана возможность их конструктивного определения;

- разработан и графически реализован способ формообразования и построения поверхностей четвертого порядка, имеющих в качестве главных сечений коники; установлено, что мнимые продолжения таких поверхностей образуют новые поверхности того же порядка.

Практическая ценность. Практическую значимость исследований составляют результаты, базирующиеся на моделировании МЭ плоскости и пространства. Разработанная методика применима к задачам начертательной геометрии (в том числе и к задачам, в которых не требуется моделирование МЭ: построение линии среза, собственных и падающих теней архитектурных форм; построение точек пересечения кривой линии с криволинейной поверхностью и др.), а также к теории алгебраических кривых и поверхностей, основаниям геометрии, теории функций комплексного переменного и решаемых на ее основе прикладных задач. В частности, получены следующие результаты:

- создана методика, обеспечивающая полное соответствие результатов, получаемых при графическом и аналитическом решении задач на плоскости и в пространстве;

- на основании разработанных структурной схемы и системы полей созданы модели МЭ, отличающиеся своей наглядностью и простотой, позволяющие инженерно-техническим работникам не овладевать специальными разделами высшей математики;

- создана наглядная модель совместной интерпретации плоскостей и соответствующих абсолютов неевклидовых геометрий схемы Кэли - Клейна, которая может служить методическим материалом при изучении курса оснований геометрии;

- представлены способы построения соответственных точек в отображениях комплексными функциями, наиболее часто применяемых в прикладных исследованиях; на примере профиля обтекания Жуковского - Чаплыгина разработан алгоритм его построения с последующей компьютерной визуализацией;

17

- представлены уточнения по вопросам моделирования картины электростатических полей с учетом прохождения их через мнимые области; даны графические способы по построению силовых и эквипотенциальных линий для двух разноименных и двух одноименных равных зарядов.

На защиту выносятся:

- метод моделирования МЭ в предлагаемой системе координатных полей и способы построения соответственных точек, инцидентных этим полям на плоскости и в пространстве;

- классификация по определению структуры полей;

- способ приведения многозначных соответствий, устанавливаемых между полями, к однозначным;

- способ визуализации МЭ в решении позиционных задач на плоскости и в бирациональных преобразованиях;

- метод геометрического анализа характеристик плоских алгебраических кривых линий;

- метод построения соответственных точек в отображениях комплексными функциями и способ визуализации мнимых точек плоскости с координатами двух комплексных переменных;

- способы визуализации МЭ в решении задач начертательной геометрии;

- метод формообразования и способ построения поверхностей четвертого порядка, имеющие в качестве главных своих сечений коники;

- метод построения в квадратичном поле системы плоскостей и абсолютов неевклидовых геометрий схемы Кэли - Клейна;

- метод образования псевдоевклидовой метрики на плоскости и способ определения расстояний между двумя точками в псевдоевклидовой геометрии на евклидовой плоскости;

- синтетический метод определения параметров физических величин с позиции специальной теории относительности;

- методы анализа электростатических полей посредством их отображения в поля моделирования МЭ.

Список литературы .
Цена, в рублях:

(при оплате в другой валюте, пересчет по курсу центрального банка на день оплаты)
1425
Скачать бесплатно 23084.doc 





Найти готовую работу


ЗАКАЗАТЬ

Обратная связь:


Связаться

Доставка любой диссертации из России и Украины



Ссылки:

Выполнение и продажа диссертаций, бесплатный каталог статей и авторефератов

Счетчики:

Besucherzahler
счетчик посещений

© 2006-2022. Все права защищены.
Выполнение уникальных качественных работ - от эссе и реферата до диссертации. Заказ готовых, сдававшихся ранее работ.