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construction of directric circles

 this activity is a page of geogebra-book elliptic functions & bicircular quartics & . . .(05.08.2023)

translation is in progress

An attempt to justify the directric-circle construction for bicircular quartics

Bicircular quartics are simple to characterize in terms of möbius geometry: These quartics have 4 foci, coincident ones included.
 (1) 4 conzyklic , pairwise different foci. The quartic has 4 pairwise orthogonal symmetry circles, one of them imaginary. By a Möbius transformation one reaches that the axes and the unit circle are symmetry circles, and the foci lie on the -axis: with and (as a rule)
 (2) 4 different foci, which are mirror images of 2 pairs on 2 orthogonal circles. By a Möbius transformation one receives the axes as symmetry circles and one can receive with and for the focal points.
(3)2 single and one double focal points. The axes can be chosen as symmetry axes, the foci on the -axis: and 0 as double focal point, with ; in principle one can be chosen . Mirrored at the unit circle one receives a center cone section.
 (4)A single and a triple focal point: if the latter is chosen as , the quartic is a parabola.
(5)Two double foci or one quadruple focal point: the quartic is the product of two non-touching or two touching circles.
We try to carry out and justify the directric-circle construction for the cases (1) - (3). At several places we have regretted that for these basic constructions we have not found computational justifications for these basic constructions. We lack the appropriate comprehensible calculus for these circular geometric statements. Attempts to get light into the dark with geogebra-CAS failed - mostly because of the unclear formulas. We provide geometric reasons here.
Given in the applet are a focal point f, a vertex s and and for the cases (1) - (3). The implicit equation of the bicircular quartic is then
For the calculation of the real coefficients the real function is used:
  • and
Remark: in geogebra real numbers and points on the -axis are considered as different objects; therefore, in geogebra, for example, must be calculated with the given point s . On the other hand, from the coefficients one calculates again the vertices
  • on the -axis: , on the -axis (both calculated in real terms) and on the unit circle: (both calculated in real).
The focal points are calculated complex with : . The focal points on the unit circle and on the -axis are also captured by the complex calculation. Confocal bicircular quartics can be obtained by specifying , or by a vertex on the -axis () and .

Die Leit-Kreis-Konstruktion

Falls alle Brennpunkte auf einem gemeinsamen Kreis liegen (Fälle (1), (3) und (4)), so bezeichnen wir diesen Kreis als "Hauptachse". Grundeigenschaft der Leitkreise: Man zeichne einen der 4 Brennpunkte (im Folgenden mit f bezeichnet) und eine der Symmetrien einer bizirkularen Quartik aus. (Die Hauptachsensymmetrie ausgenommen, Wellen zeigt eine Konstruktionsmöglichkeit für diesen Fall ) Zu der Symmetrie gehört eine Schar von die Quartik doppelt-berührenden Kreisen.
  • Spiegelt man den Brennpunkt f an den Kreisen der Schar, so liegen die Spiegelpunkte auf einem Kreis, dem Leitkreis bezüglich f.
  • Zu jedem Punkt q auf diesem Leitkreis gehört genau ein doppelt-berührenden Kreis der Schar mit der genannten Eigenschaft.
Diese Eigenschaft trifft auch für die Tangentialkreise an Kegelschnitte (Tangenten) zu, also für die berührenden Kreise, welche durch den doppelten oder 3-fachen Brennpunkt gehen, obwohl keine Symmetrie vorliegt. Vorgegeben: der Brennpunkt f auf der -Achse, ein Scheitel s auf der -Achse sowie . Die Brennpunkte liegen in Normalform, Scheitelkreise,
symmetrisch zur Achse und . Für ist der 2. Kreis imaginär, für ist es der Ursprung als Punktkreis. f gespiegelt an diesen beiden Kreisen liefert die reellen Punkte und auf der -Achse. Da der "Leitkreis" aus Symmmetriegründen -achsensymmetrisch sein muß, ergibt sich mit diesen Randpunkten die "Leitkreis"-Gleichung mit Mittelpunkt: und Radius: :
Für liegen und spiegelbildlich zu : . Für berührt der die -Achse in . Für geht durch , wovon man sich durch Einsetzen überzeugt. Es sei q ein Punkt auf und die Tangente an durch q und der Tangentenschnittpunkt mit der -Achse. Der Kreis um durch q geht für durch , berüht für die -Achse in , und liegt für im hyperbolischen Kreisbüschel um . Der "Brennkreis" ist orthogonal zum "Leitkreis" und zur Tangente . gespiegelt an der Mittelsenkrechten von f und q ergibt eine Gerade durch f. Der "Brennkreis" um den Schnittpunkt von mit der _Achse durch f ist orthogonal zur Geraden . Der Schnittpunkt der Geraden ist Mittelpunkt eines Kreises , der die "Brennkreise" in q bzw. in f berührt. Falls die Geraden parallel sind, haben die "Brennkreise" in q und in f die gemeinsame Tangente . Übrigens: falls dies für jedes q auf dem "Leitkreis" der Fall ist, ist die Quartik eine CASSINI-Kurve CASSINI. Der Mittelkreis von und ist orthogonal zu . Gespiegelt an ihm werden die "Brennkreise" und , sowie q und f vertauscht. Falls und sich schneiden, ist winkelhalbierender Kreis von , und ein -achsensymmetrischer doppelt berührender Kreis der bizirkularen Quartik. Die Gleichungen der "Brennkreise" und die Koordinaten der Schnittpunkte rechnerisch zu ermitteln, ist uns nicht gelungen. Wären in geogebra elliptische Funktionen implementiert, so ließen sich die Quartiken und ihre Punkte in Parameterdarstellung untersuchen.