Kleeblattkurven

Zusammenfassung

Text Nr. 54103 der Internetbibliothek für Schulmathematik (Friedrich W. Buckel, 11.05.2016, mathe-cd.de) rechnet die Mathematik der n-blättrigen Rosen konkret durch: Gleichungsformen in Parameter- und Polardarstellung, Extrempunkte, Krümmungskreis, Tangenten im Dreifachpunkt sowie Flächenberechnungen mit vier Lösungswegen. Die Integrale gelten laut Autor als „sehr schwer“ – für Studenten dringend empfohlen; theoretisches Fundament ist Text 54011 (Differentialgeometrie).

Inhalt

Gleichungsformen

  • Parameterform: x(t) = a·sin(b·t)·sin(t), y(t) = a·sin(b·t)·cos(t).
    • Ungerades b: t ∈ [0; π[, b = Anzahl der Blätter. Gerades b: t ∈ [0; 2π[, 2b = Anzahl der Blätter.
    • a = Radius des Ursprungskreises, den die Blätter von innen berühren.
  • Polarform: r = a·sin(b·φ + α); z. B. r = 4·sin(3φ + ½π), r = 4·sin(3φ), r = 4·cos(3φ) (alles dreiblättrig).
  • Alternative Parametrisierung des dreiblättrigen Kleeblatts: x(t) = 2(cos t + cos 2t), y(t) = 2(sin t − sin 2t).

Extrempunkte (dreiblättrige Kurve)

  • x-Richtung: Bedingung x’(t) = 0 führt auf Nullprodukt sin(t)·(1 + 4·cos(t)) = 0 → t = 0 (Maximum, „Rechtspunkt“ R₁(2 | 0)) und t ≈ 1,82 bzw. 4,46 (Minima L₁(−1,12 | 1,45), L₂(−1,12 | −1,45)). In allen vier Randpunkten senkrechte Tangenten.
  • y-Richtung: Substitution z = cos(t) ergibt 4z² − z − 2 = 0 → z ≈ 0,8431 bzw. −0,5931; Punkte u. a. H₂(−0,89 | 1,76), T₁(1,26 | −0,37).
  • Insgesamt 7 Extrempunkte: 2 Hoch-, 2 Tief-, 2 Linkspunkte, 1 Rechtspunkt.

Krümmungskreis

  • Krümmung k = (y''·x' − x''·y') / (x'² + y'²)^(3/2); am Punkt R₁ (t = 0): k = 5.
  • Krümmungsradius r = 1/k = 0,2; Mittelpunkt MKK(1,8 | 0); Kreisgleichung (x − 1,8)² + y² = 0,04.

Tangenten im Dreifachpunkt O

  • x(t) = 0 → quadratische Gleichung 2cos²(t) + cos(t) − 1 = 0 → cos(t) = ½ (t = π/3, 5π/3) oder −1 (t = π).
  • Tangentensteigungen ±√3⁄3; dritte Tangente senkrecht: T₁: y = −√3/3 · x, T₂: y = +√3/3 · x, T₃: x = 0.

Flächeninhalt eines Blattes

  • Parameterdarstellung: A = ½ ∫₀^{π/3} (y·x' − x·y') dt = πa²/12 (für a = 2 also π/3 FE).
  • Polarkoordinaten (F = ∫ ½·r(φ)² dφ): r = 2·sin(3φ) über [0; π/3] bzw. r = 2·cos(3φ) über [−π/6; π/6]; je zwei Wege (partielle Integration; trigonometrische Umformung mit cos²(3t) = ½cos(6t) + ½) liefern ebenfalls π/3.
  • Nebenprodukt: ∫sin²(3t)dt = −⅙ sin(3t)·cos(3t) + t/2 (partielle Integration als Gleichung gelöst).

Vierblättrige Kleeblätter und Merkwürdigkeiten

  • Beispiel a = 4, b = 2: Kurve durchläuft die vier Quadranten nacheinander in Teilintervallen [0; π/2[, [π/2; π[ usw. (Durchlaufrichtung per Kreisbogenpfeil visualisiert, erstellt mit MatheGrafix).
  • Vertippte Argumente (z. B. sin(4t) statt sin(2t) in einer Komponente) erzeugen überraschende neue Formen – Anregung zum eigenen „Zaubern“; sogar die Unterschrift eines Arztes lässt sich als Kleeblattkurve darstellen.

Quellen

  • raw/54103 Kleeblattkurven.pdf – Friedrich W. Buckel, Text 54103, Internetbibliothek für Schulmathematik (mathe-cd.de), 11.05.2016

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