Suuteleva ympyrä

Ellipsi (sininen) ja sen kaarevuuskeskipisteiden ura (punainen).
Lisäksi yksi suuteleva ympyrä.

Jos kahden käyrällä olevan pisteen kautta asetetaan suora — käyrän sekantti — ja pisteiden annetaan sen jälkeen lähestyä toisiaan, suora muuttuu käyrän tangentiksi. Mitä tapahtuu, jos käyrällä onkin kolme pistettä, jolloin ne ainakin yleensä määräävät ympyrän, ja sitten annetaan pisteiden yhtyä yhdeksi pisteeksi? Miten ympyrä muuttuu?

Kevään 2011 pitkän matematiikan ylioppilastehtävässä 15 on käsitelty vahvasti yksinkertaistettua ongelman erikoistapausta, mutta yleinen tilannekaan ei ole kovin hankala symbolisella ohjelmalla laskettuna.

Yleisessä tapauksessa on luontevinta käyttää käyrälle parametriesitystä: $x = u(t)$, $y = v(t)$, missä $t$ on parametri. Käyrällä olevat kolme pistettä voivat tällöin olla $(u(t-h),v(t-h))$, $(u(t),v(t))$ ja $(u(t+h),v(t+h))$. Pisteiden yhtyminen merkitsee, että $h$ lähestyy nollaa.

Ympyrän yleinen yhtälö on muotoa $(x - a)^2 + (y - b)^2 = r^2$. Kolmen pisteen tulee toteuttaa tämä yhtälö, jolloin saadaan ehdot
\[\left\{
\begin{aligned}
&(u(t-h) - a)^2 + (v(t-h) - b)^2 = r^2\,, \\
&(u(t) - a)^2 + (v(t) - b)^2 = r^2\,, \\
&(u(t+h) - a)^2 + (v(t+h) - b)^2 = r^2\,.
\end{aligned}\right.\] Tämä on yhtälöryhmä, josta voidaan ratkaista $a$, $b$ ja $r$. Tuloksena on yksi ratkaisu, mutta lausekkeet ovat hieman monimutkaisia. Muuttujina ovat $t$ ja $h$.

Tämän jälkeen pitäisi muodostaa raja-arvot, kun $h \to 0$. Symbolisella ohjelmalla tämä on yleensä ongelmatonta, jos kyseessä on tietty käyrä, ts. $u(t)$ ja $v(t)$ ovat tunnettuja funktioita. Ympyrän keskipiste $(a,b)$ ja säde $r$ saadaan tällöin käyräparametrin $t$ funktioina. Kyseessä on parametriarvoa $t$ vastaava käyrän kaarevuusympyrä, jota myös oskuloivaksi ympyräksi kutsutaan (latinan verbistä osculari, suudella). Tämän säde on käyrän kaarevuussäde ja sen käänteisarvo käyrän kaarevuus kyseisessä kohdassa.

Esimerkiksi parametriesitys $u(t) = \cos(t)$, $v(t) = \frac{1}{2}\sin(t)$ esittää ellipsiä. Tällöin saadaan
\begin{align*} r(t) &= \tfrac{1}{8\sqrt{2}}\,(5 - 3\cos(2t))^{3/2}\,, \\a(t) &= \tfrac{3}{4}\cos(t)^3\,, \\b(t) &= -\tfrac{3}{2}\sin(t)^3\,.\end{align*} Funktiot $a(t)$ ja $b(t)$ puolestaan muodostavat erään käyrän parametriesityksen. Tämä on alkuperäisen ellipsin kaarevuuskeskipisteiden ura eli evoluutta. Kuva artikkelin alussa.

Jos $u(t)$ ja $v(t)$ eivät ole tunnettuja funktioita, vaan merkitsevät vain yleisesti käyrän parametriesitystä, ei rajaprosessi $h \to 0$ onnistu symbolisella ohjelmalla. Tällöinkin funktioille $a(t)$, $b(t)$ ja $r(t)$ voidaan kyllä johtaa yleiset lausekkeet, mutta nämä sisältävät funktioiden $u(t)$ ja $v(t)$ derivaattoja. Symbolinen ohjelma ei — aivan oikein — oleta, että esiintyvät tarkemmin määrittelemättömät funktiot olisivat derivoituvia, ja tällöin raja-arvoa ei saada muodostetuksi.

Ohjelmasta riippuen kiertotienä voi olla Taylorin kehitelmän käyttäminen, esimerkiksi
\[u(t+h) = u(t)+ hu'(t) + \tfrac{1}{2}h^2u''(t) + \tfrac{1}{6}h^3u'''(t) + O(h^4).\] Tällöin ohjelmalle annetaan lupa derivaattojen käyttämiseen ja lisäksi helpotetaan raja-arvon laskemista. Tällä tavoin esimerkiksi Mathematica suoriutuu tehtävästä. Tuloksena saadaan hieman monimutkaiset kaavat, joita en tässä toista. Löytyvät yleensä perusoppikirjoista.

Yleensä kaarevuustarkastelut johdetaan oppikirjoissa toisella tavalla. Yhdestä klassikosta, Ernst Lindelöfin kirjasta Differentiali- ja integralilasku ja sen sovellutukset I menettelyn idea kuitenkin löytyy. Aivan ongelmaton ei asia ole. Edellä pisteet valittiin symmetrisesti parametriarvon $t$ eri puolilta. Jätän pohdittavaksi, mitä tapahtuu, jos symmetriaa ei olekaan ja pisteistä kaksi lähestyy kolmatta toisistaan riippumatta.