Meetkunde met b2 4ac. Jaap Top

Vergelijkbare documenten
Algebraïsche meetkunde. Jaap Top

Achtergronden van Schillings modellen. Jaap Top

0.25x. Het buitengebied - vanuit elk punt kun je twee raaklijnen tekenen - bevat twee oplossingen. De parabool zelf staat voor één oplossing.

De draadmodellen van P.H. Schoute, hoogleraar wiskunde te Groningen

KWADRATISCHE VERGELIJKINGEN, HET GULDEN ZADELVLAK, EN DE REGELMATIGE VIJFHOEK.

Algebra groep 2 & 3: Standaardtechnieken kwadratische functies

7.1 De afgeleide van gebroken functies [1]

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Wiskunde en Informatica. Uitwerking Tentamen Calculus, 2DM10, maandag 22 januari 2007

eerste en laatste cijfers Jaap Top

9.1 Vergelijkingen van lijnen[1]

Opgave 1: bewijs zelf op algebraïsche wijze dat de lengte van DE gelijk is aan de helft van de lengte van BC.

Definitie van raaklijn aan cirkel: Stelling van raaklijn aan cirkel:

Wiskundige Technieken 1 Uitwerkingen Tentamen 4 november 2013

Erik Weitenberg Johann Bernoulli Instituut Rijksuniversiteit Groningen Postbus 407, 9700 AK Groningen Schoute herschijnt

2.1 Lineaire functies [1]

Vectoranalyse voor TG

Hoofdstuk 3: Tweede orde lineaire differentiaalvergelijkingen

Voorbereiding toelatingsexamen arts/tandarts. Wiskunde: functieverloop. 22 juli dr. Brenda Casteleyn

(Assistenten zijn Sofie Burggraeve, Bart Jacobs, Annelies Jaspers, Nele Lejon, Daan Michiels, Michael Moreels, Berdien Peeters en Pieter Segaert).

Draad en gipsfiguren. Jaap Top

Eerste orde partiële differentiaalvergelijkingen

Noordhoff Uitgevers bv

extra oefeningen HOOFDSTUK 4 VMBO 4

Uitwerkingen voorbeeldtentamen 1 Wiskunde B 2018

1.0 Voorkennis. Voorbeeld 1: Los op: 6x + 28 = 30 10x.

UNIVERSITEIT TWENTE Faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica

Tentamen Wiskunde B CENTRALE COMMISSIE VOORTENTAMEN WISKUNDE. Datum: 19 december Aantal opgaven: 5

Vectoranalyse voor TG

H. 8 Kwadratische vergelijking / kwadratische functie

Voorbereiding toelatingsexamen arts/tandarts. Wiskunde: cirkel en parabool. 16 september dr. Brenda Casteleyn

6.0 Differentiëren Met het differentiequotiënt bereken je de gemiddelde verandering per tijdseenheid.

x 1 (t) = ve rt = (a + ib) e (λ+iµ)t = (a + ib) e λt (cos µt + i sin µt) x 2 (t) = ve rt = e λt (a cos µt b sin µt) ie λt (a sin µt + b cos µt).

Basiskennistoets wiskunde

(g 0 en n een heel getal) Voor het rekenen met machten geldt ook - (p q) a = p a q a

Antwoorden. 1. Rekenen met complexe getallen

(iii) Enkel deze bundel afgeven; geen bladen toevoegen, deze worden toch niet gelezen!

Families parabolen en fonteinen met de TI-Nspire

More points, lines, and planes

Paragraaf 11.0 : Voorkennis

16.1 De Afgeleide Functie [1] Met het differentiequotiënt bereken je de gemiddelde verandering per tijdseenheid.

3.1 Kwadratische functies[1]

Imaginary - singulariteiten

Een checklist is een opsomming van de dingen die je moet weten en kunnen. HAVO 4 wiskunde B...

Voorbereidende sessie toelatingsexamen

7.1 Ongelijkheden [1]

11.1 De parabool [1]

Differentiaalrekening. Elementaire techniek van het differentieren.

1. Orthogonale Hyperbolen

Tentamenopgaven over hfdst. 1 t/m 4

12. Uitwerkingen van de opgaven

Verbanden en functies

8.0 Voorkennis. Voorbeeld 1: Bereken het snijpunt van 3x + 2y = 6 en -2x + y = 3

10.0 Voorkennis. y = -4x + 8 is de vergelijking van een lijn. Hier wordt y uitgedrukt in x.

Hoofdstuk 1: Inleiding

Tussentoets Analyse 2. Natuur- en sterrenkunde.

SOM- en PRODUCTGRAFIEK van twee RECHTEN

Voorbereiding toelatingsexamen arts/tandarts. Wiskunde: cirkel en parabool 11/5/2013. dr. Brenda Casteleyn

Symmetrische matrices

Wiskunde. voor. economie. drs. H.J.Ots. Hellevoetsluis

Topologie in R n 10.1

opdrachten bij hoofdstuk 7 Lijnen cirkels als PDF

x a k of.x 1 a 1 / 2 + ::+.x n a n / 2 k 2 bol om a, straal k

Wiskunde voor bachelor en master. Deel 1 Basiskennis en basisvaardigheden. c 2015, Syntax Media, Utrecht. Uitwerkingen hoofdstuk 9

Eenvoud bij tekenen en rekenen

De parabool en de cirkel raken elkaar in de oorsprong; bepaal ook de coördinaten van de overige snijpunten A 1 en A 2.

Examen havo wiskunde B 2016-I (oefenexamen)

Noordhoff Uitgevers bv

Uitgewerkte oefeningen

dx; (ii) * Bewijs dat voor elke f, continu ondersteld in [0, a]: dx te berekenen.(oef cursus) Gegeven is de bepaalde integraal I n = π

Wiskundige Technieken 1 Uitwerkingen Hertentamen 23 december 2014

Noordhoff Uitgevers bv

Voorbeeldtentamen Wiskunde B

OPLOSSINGEN PROEFEXAMEN LINEAIRE ALGEBRA donderdag 18 november 2010

TOELATINGSEXAMEN ANALYSE BURGERLIJK INGENIEUR EN BURGERLIJK INGENIEUR ARCHTECT - 3 JULI 2003 BLZ 1/8

Functies van één veranderlijke

Programma. Opening Een laatste opmerking over hfst 1 vragen over hfst 1?

VISUALISATIE VAN KROMMEN EN OPPERVLAKKEN. 1. Inleiding

1.0 Voorkennis. Voorbeeld 1: Los op: 6x + 28 = 30 10x.

Paragraaf 2.1 Toenamediagram

Inhoud college 4 Basiswiskunde. 2.6 Hogere afgeleiden 2.8 Middelwaardestelling 2.9 Impliciet differentiëren 4.9 Linearisatie

Examen VWO. wiskunde B. tijdvak 1 maandag 15 mei 13:30-16:30 uur. Bij dit examen hoort een uitwerkbijlage.

Samenvatting Wiskunde B

Hertentamen Wiskundige Technieken 1 Donderdag 4 jan 2018, 9-12 uur

Examen Wiskundige Basistechniek 15 oktober 2011

Stelsels lineaire differentiaalvergelijkingen (homogeen)

wiskunde B pilot vwo 2016-II

Lesbrief GeoGebra. 1. Even kennismaken met GeoGebra (GG)

Examen VWO. Wiskunde B1,2 (nieuwe stijl)

De Afgeleide. ) = 2y. 2 = 4y = 4.(2x+1)

Voorbereiding toelatingsexamen arts/tandarts. Wiskunde: functieverloop. 13 september 2017 dr. Brenda Casteleyn

Bekijk nog een keer het stelsel van twee vergelijkingen met twee onbekenden x en y: { De tweede vergelijking van de eerste aftrekken geeft:

Aanvullingen van de Wiskunde

tripels van Pythagoras Jaap Top

HOEKEN, AFSTANDEN en CIRKELS IN Klas 5N Wiskunde 6 perioden

Wiskundige Technieken

Oefeningentoets Differentiaalvergelijkingen, deel 1 dinsdag 6 november 2018 in lokaal 200M van 16:00 tot 18:00u

Eindexamen wiskunde B1-2 vwo 2002-I

Paragraaf 2.1 : Snelheden (en helling)

Hertentamen WISN102 Wiskundige Technieken 2 Di 17 april 13:30 16:30

Parameter-krommen benaderen in een vlak

Transcriptie:

Meetkunde met b2 4ac Jaap Top JBI-RuG & DIAMANT j.top@rug.nl 9 januari 2016 (KWG wintersymposium, Utrecht) 1

Doel: meetkunde gebruiken om meer inzicht te krijgen in het oplossen van (veelterm)vergelijkingen. ((ook: begrip over vergelijkingen helpt bij meetkunde.)) 2

Dit begint bij de Engels/Joodse wiskundige James Joseph Sylvester in 1864. Sylvester was vooral met vijfdegraads vergelijkingen bezig, maar wij beginnen voor het gemak bij graad twee. Sylvesters simpele idee: x 2 + bx + c geef ik weer als het punt met coördinaten (b, c). 3

James Joseph Sylvester (1814-1897) 4

Omdat wij het xy-vlak gewend zijn, en niet het bc-vlak, veranderen we alle namen. x wordt vanaf nu t, c wordt vanaf nu y, b wordt vanaf nu x. Schrijf dus t 2 + xt + y, en niet x 2 + bx + c. 5

Hier bijvoorbeeld t 2 + 2t + 3 en t 2 3t 1 en t 2 + 4t: 6

Voorbeeld: welke t 2 + xt + y hebben t = 2 als nulpunt? Dan moet ( 2) 2 + x( 2) + y = 0, dus y = 2x 4. de lijn y = 2x 4 7

In Nederland ging de Groningse wiskundige Pieter Hendrik Schoute vanaf 1890 net als Sylvester, veeltermen door punten weergeven. Pieter Hendrik Schoute (1846 1913) 8

In Duitsland deed vanaf 1892 de wiskundige Felix Klein hetzelfde. Klein zei dit geleerd te hebben uit colleges van Kronecker. Felix Klein (1849 1925) 9

Leopold Kronecker (1823 1891) 10

Welke t 2 + xt + y hebben een meervoudig nulpunt? Welke t 2 + xt + y hebben t = 2 als nulpunt? Antwoord in één plaatje: 11

Uitleg (a-la Sylvester): meervoudig nulpunt bij t = u betekent niet alleen dat t = u een nulpunt is, maar ook dat de raaklijn aan de grafiek van f(t) = t 2 + xt + y bij t = u horizontaal loopt. Dus d dt (t2 + xt + y) heeft voor t = u de waarde 0. Conclusie: u 2 + xu + y = 0 en 2u + x = 0. Dus (x, y) = ( 2u, u 2 ). Door u te variëren levert dit alle t 2 +xt+y met een meervoudig nulpunt. 12

Merk op: we hebben differentiëren gebruikt, en een eigenschap van grafieken, maar niets over een discriminant (b 2 4ac). Toch kennen we nu alle t 2 +xt+y die een meervoudig nulpunt hebben, oftewel, waarvoor de discriminant nul is. Algebraïsch is gemakkelijk te zien dat inderdaad de gevonden veeltermen een meervoudig nulpunt hebben: t 2 + xt + y = t 2 2ut + u 2 = (t u) 2. 13

14

welke eigenschappen suggereert het plaatje? 15

welke eigenschappen suggereert het plaatje? Veeltermen met een vast nulpunt t = u vormen een lijn. Veeltermen met een meervoudig nulpunt vormen een parabool. De lijn bij een vast nulpunt raakt aan deze parabool. 16

1907, uit dictaat van Felix Klein 17

Waarom? lijn: stel t = u is oplossing, dan u 2 +ux+y = 0, dus y = ux u 2, en dat geeft een lijn. parabool: de punten (x, y) = ( 2u, u 2 ) voldoen aan y = 1 4 x2, en dat definieert een parabool. Ieder punt (x, 1 4 x2 ) is, door x = 2u oftewel u = x/2 te nemen, ook te schrijven als ( 2u, u 2 ). 18

raken: neem een willekeurig punt ( 2u, u 2 ) op de parabool. De raaklijn in dit punt aan de parabool heeft dan steunpunt ( 2u, u 2 ) en richtingsvector d du ( 2u, u2 ) = ( 2, 2u). Dus die raaklijn correspondeert met alle veeltermen van de vorm (t u) 2 + λ ( 2t + 2u). Evident is t = u nulpunt van al deze veeltermen, dus de raaklijn is bevat in (en daarom gelijk aan) de lijn van alle veeltermen met u als nulpunt. Dus laatstgenoemde lijn raakt aan de parabool. 19

Nu met deze gegevens vergelijkingen oplossen. Voorbeeld: t 2 + t 1 = 0. Plaatje: 20

(t 2 + t 1 = 0, vervolg) We zoeken een oplossing t = u. Onze vergelijking is dan het punt (1, 1) op de lijn y = ux u 2. Maar wat is u, oftewel, welke lijn door (1, 1) zoeken we? 21

(t 2 + t 1 = 0, vervolg) De goede lijn door (1, 1) raakt aan de parabool die hoort bij veeltermen met een meervoudig nulpunt! 22

(t 2 + t 1 = 0, vervolg) Hier is zo n goede raaklijn: 23

(t 2 + t 1 = 0, vervolg) Ongeveer bij x = 1.2 raken de lijn en de parabool, wij weten: dat is in het punt ( 2u, u 2 ). Dus voor de oplossing t = u geldt 2u 1.2, en daarom u 0.6. ((Alternatief: de gezochte lijn is y = ux u 2, met helling u. De bijbehorende oplossing t = u is de tegengestelde van de helling.)) 24

Hoeveel oplossingen heeft t 2 + bt + c = 0? Antwoord: evenveel als het aantal raaklijnen aan de parabool y = 4 1 x2 dat door het punt (b, c) gaat. Felix Klein maakte daar in 1907 een plaatje bij: 25

26

Nog een toepassing. Welke vergelijkingen t 2 + xt + y = 0 hebben precies 2, of 1, of 0 oplossing(en) in het interval [ 2, 1]? Antwoord: oplossing t = 2 hoort bij de lijn y = 2x 4 en oplossing t = 1 bij de lijn y = x 1. Alles wordt dus gegeven door het volgende plaatje: 27

groen = geen, oranje = één, geel is twee oplossingen in [ 2, 1] 28

Hetzelfde bij Klein, 1907: 29

Terug naar Sylvester, 1854. Hij deed hetzelfde voor hogere graden. 30

Algemeen: p(t) + xq(t) + yr(t), met veeltermen p, q, r. Eis: graad(p) > graad(q) > graad(r); qr q r = 1. Hier is q = dq dt. Dezelfde eigenschappen als bij graad 2 gelden! Voorbeeld: t n + xt + y met n 2. 31

Veeltermen met t = u als nulpunt vormen een lijn: immers, die voldoen aan p(u) + q(u)x + r(u)y = 0. Alleen als q(u) = r(u) = 0 zou gelden, levert dit geen lijn. Maar vanwege qr q r = 1 hebben q en r geen gemeenschappelijk nulpunt. Dus inderdaad: voor elke u een lijn. 32

t = u is meervoudig nulpunt precies als ( ) ( ) ( q(u) r(u) x p(u) q (u) r = (u) y p (u) ). Vanwege qr q r = 1 heeft dit stelsel als oplossing (x, y) = ( p(u)r (u) + p (u)r(u), p(u)q (u) p (u)q(u) ). Voor t n + xt + y levert dit (x, y) = ( nu n 1, (n 1)u n). 33

Ook geldt: de lijn horend bij nulpunt t = u raakt in (x(u), y(u)) aan de kromme die de veeltermen met meervoudige nulpunten beschrijft. Het argument is analoog aan het kwadratische geval: met (x, y) de gevonden parametrizering, wordt een raaklijn gegeven door (x, y) + λdu d (x, y) (mits de afgeleide niet gelijk is aan (0, 0)). Dus moet worden nagegaan dat ( p(t) + x + λ dx q(t) + y + λ dy r(t) du du een nulpunt t = u heeft. Dit is eenvoudig invulwerk. ) ( ) 34

Als we de kromme horend bij meervoudige nulpunten voldoende goed kennen, valt zo de vraag te beantwoorden hoeveel (reële) nulpunten de diverse veeltermen in zo n familie p(t)+xq(t)+yr(t) hebben. Zelfs zonder de (vereenvoudigende) voorwaarde qr q r = 1. 35

Voorbeeld (Klein, 1907): aantal nulpunten van t 3 + xt + y met t in een gegeven interval [t 1, t 2 ]. 36

Voorbeeld (Schoute, 1892): aantal reële nulpunten van t 6 15t 4 + 60t 2 + 6xt 12y. 37

Er is geen reden om te beperken tot twee parameters (x en y) in families veeltermen. Vanaf vier wordt het visualiseren lastig, dus drie parameters krijgt eind 19-de eeuw aandacht. Wiskundeleraar (later pedagoog) Georg Kerschensteiner, 1892, t 4 + xt 2 + yt + z: 38

Nog een keer t 4 + xt 2 + yt + z, Schoute, 1893: 39

Ook Klein deed in 1907 t 4 + xt 2 + yt + z: 40

En in 1909 liet Klein een afstudeerder, Roderich Hartenstein, bij t 4 + xt 2 + yt + z een draadmodel met begeleidende tekst maken: 41

De meetkunde van 3-parameter families veeltermen p(t) + xq(t) + yr(t) + zs(t): t = u nulpunt levert lineaire vgl in x, y, z, dus i.h.a. een vlak. t = u meervoudig nulpunt: twee lineaire vgln, i.h.a. een lijn. alle gevallen met meervoudig nulpunt: i.h.a. een oppervlak. Het vlak bij nulpunt t = u raakt aan dat oppervlak. Gevallen met een drievoudig nulpunt leveren een ruimtekromme, de gezamenlijke raaklijnen aan die kromme vormen het oppervlak bij de meervoudige nulpunten. 42

Tenslotte een door haar met potlood ingekleurde tekening bij t 5 + 10xt 3 + 5yt + z, uit de masterscriptie (Chicago, 1903) van Mary Emily Sinclair (1878 1955), en haar draadmodel uit 1909. 43

44

45

Kleins dictaat (1907) werd later een nog altijd populair boek. Verplichte kost voor generaties wiskundeleraren in vele landen! 46

47