典型参数方程曲线@摆线@星形线

2024-02-27 20:40

本文主要是介绍典型参数方程曲线@摆线@星形线,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

文章目录

    • 旋轮线
      • 摆线
        • 性质
        • 方程推导
        • 参数方程
        • 普通方程
      • 星形线

旋轮线

  • ggb在线绘图
  • refs:摆线 (wikipedia.org)

摆线

  • 在数学中,摆线(Cycloid)被定义为,一个圆在一条直线上滚动时,圆边界上一定点所形成的轨迹。
    • 它是一般旋轮线的一种。摆线亦称圆滚线
    • 摆线也是最速降线问题和等时降落问题的解。
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性质
  • 它的长度等于旋转圆直径的 4 倍。它的长度是 一个不依赖于π的有理数。
  • 在弧线下的面积,是旋转圆面积的三倍。
  • 圆上描出摆线的那个点,具有不同的速度——事实上,在特定的地方它甚至是静止的。
  • 当弹子从一个摆线形状的容器的不同点放开时,它们会同时到达底部。
方程推导
  • 在半径为 r r r的圆,从圆心 C C C y y y轴上的 C ( 0 , a ) C(0,a) C(0,a),取此时圆周上的点 A 0 ( 0 , 0 ) A_0(0,0) A0(0,0)作为观察点, y y y轴和初始位置圆的另一交点为 B 0 ( 0 , 2 a ) B_0(0,2a) B0(0,2a),在圆上分别标记这两点,在随着圆周滚动的过程中,圆心始终处于 y = a y=a y=a这一直线上

  • 容易确定最高点的纵坐标为 2 a 2a 2a;而圆的边缘和 x x x轴接触过的部分恰好是半个圆周,即 π r \pi{r} πr,此时 B 0 B_0 B0点位于 ( π r , 0 ) (\pi{r},0) (πr,0), A 0 A_0 A0位于摆线最高点 ( π r , 2 a ) (\pi{r},2a) (πr,2a)

  • 取摆线上的任一位置 A ( x , y ) A(x,y) A(x,y)将其和圆心 C ′ C' C连线,并作 C ′ Q ⊥ x C'Q\perp{x} CQx, C ′ Q C'Q CQ x x x轴与 Q Q Q点,

    • t = ∠ Q C ′ A t=\angle{QC'A} t=QCA

    • 显然 t : 0 → 2 π t:0\to{2\pi} t:02π时,摆线会走过刚好一个周期

  • 分别作 A ⊥ x A\perp{x} Ax交于 P P P, A ⊥ C ′ Q A\perp{C'Q} ACQ交于 D D D

    • A D AD AD= P Q PQ PQ= a sin ⁡ t a\sin{t} asint
    • x x x= O Q − P Q OQ-PQ OQPQ= A Q ⌢ \overset{\huge\frown}{AQ} AQ- P Q PQ PQ= t a − a sin ⁡ t ta-a\sin{t} taasint= a ( t − sin ⁡ t ) a(t-\sin{t}) a(tsint)
    • y y y= A P AP AP= D Q DQ DQ= C ′ Q − C ′ D C'Q-C'D CQCD= a − a cos ⁡ t a-a\cos{t} aacost= a ( 1 − cos ⁡ t ) a(1-\cos{t}) a(1cost)
参数方程
  • 综上:摆线的方程为 x = a ( t − sin ⁡ t ) x=a(t-\sin{t}) x=a(tsint)(1); y = a ( 1 − cos ⁡ t ) y=a(1-\cos{t}) y=a(1cost)(2)
普通方程
  • 这里利用公式 sin ⁡ ( arccos ⁡ t ) \sin(\arccos{t}) sin(arccost)= 1 − cos ⁡ 2 ( arccos ⁡ t ) \sqrt{1-\cos^{2}(\arccos{t})} 1cos2(arccost) = 1 − t 2 \sqrt{1-t^2} 1t2 (3)
    • 这里 arccos ⁡ t ∈ [ 0 , π ] \arccos{t}\in[0,\pi] arccost[0,π], sin ⁡ ( arccos ⁡ t ) ⩾ 0 \sin(\arccos{t})\geqslant{0} sin(arccost)0
  • 而由(2)可以解出 t t t= arccos ⁡ ( 1 − y a ) \arccos{(1-\frac{y}{a})} arccos(1ay),(4);代入(1),得 x x x= a ( arccos ⁡ ( 1 − y a ) − sin ⁡ ( arccos ⁡ ( 1 − y a ) ) ) a(\arccos{(1-\frac{y}{a})}-\sin(\arccos{(1-\frac{y}{a})})) a(arccos(1ay)sin(arccos(1ay)))= a arccos ⁡ ( 1 − y a ) − a 1 − ( 1 − y a ) 2 a\arccos{(1-\frac{y}{a})}-a\sqrt{1-(1-\frac{y}{a})^2} aarccos(1ay)a1(1ay)2 = a arccos ⁡ ( 1 − y a ) − y ( 2 a − y ) a\arccos{(1-\frac{y}{a})}-\sqrt{y(2a-y)} aarccos(1ay)y(2ay) (5)
  • 因此普通方程可以写成: x x x= a arccos ⁡ ( 1 − y a ) − y ( 2 a − y ) a\arccos{(1-\frac{y}{a})}-\sqrt{y(2a-y)} aarccos(1ay)y(2ay) (6),形式复杂,不如参数方程来得简单

星形线

  • 与摆线类似但不同,摆线沿着直线摆动,而星形线验证圆线内切的摆动

  • 参数方程

    • x = r cos ⁡ 3 t x=r\cos^{3}t x=rcos3t
    • y = r sin ⁡ 3 t y=r\sin^{3}t y=rsin3t
  • 普通方程

    • x 2 3 + y 2 3 x^{\frac{2}{3}}+y^{\frac{2}{3}} x32+y32= r 2 3 r^{\frac{2}{3}} r32

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