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词条 蛋圆曲线
释义

正劈锥面被平面所截的交线投影即得平面蛋圆曲线,方程式为 x^2/a^2 + y^2 / (ky + b)^2 = 1, 绝对值k小于1.

定义

平面上至少有一条对称轴的卵形线是蛋圆。

劈锥曲线族

本文涉及的蛋圆属于劈锥曲线族,是四次方程曲线。在椭圆方程中,令a = b = r ,椭圆即成为特例——圆;而椭圆又是蛋圆的一种特例。

公式

设准线为椭圆的正劈锥面方程为 x^2 / a^2 + y^2 / z^2 = 1,其轴为 x 轴,准线为 x^2 / a^2 + y^2 / b^2 = 1,以平行于劈锥面轴的平面

z = ky + b 去截正劈锥面,得交线为 x^2 / a^2 + y^2 / b^2 = 1

{ z = ky + b (2),将(2)投影到 xOy 平面上,即得蛋圆标准方程(1),见图1。

仿椭圆参数方程,引入角参数 t ,蛋圆参数方程为

{ x = a cos t

y = b sin t / ( 1-k sin t) (∣k∣﹤1) (3)。令(1)在三维直角坐标系中绕 y 轴旋转,得出旋转蛋球面方程(详见图2):

蛋圆(1)的取值范围:a > 0, b > 0, ︱k︱< 1。

因为 k 是平面 ky + b 对于 zOx 坐标面的斜率,︱k︱﹥ 1时,平面在正劈锥面上不能截到封闭的卵形线,k = 0 时(1)成为特例——椭圆。b = 0 时(1)成为两条直线: —a ≤ x ≤ a ;

-b / (1 + k) ≤ y ≤ b / (1 - k)。

蛋圆(1)内线段:(1)与 x 轴两个交点的连接线段称“横径”,其长度记为 2r,横径被其中点所分成的两个线段称“对称半径”,其长度记为r ,r = a ;(1)以 y 轴为唯一对称轴,是偶函数,(1)与其对称轴的两个交点间的线段称“直径”,其长度记为 d ,

d = b / (1-k) - [-b/ (1 + k )] = 2b /(1-k^2);直径与横径的比值称圆度记为u,u = d / 2r = b / a(1-k^2),当u = 1时蛋圆变为特例——圆,当u → 0 时蛋圆越来越矮胖,当u →∞时蛋圆越来越瘦长。

由于蛋圆(1)是已知唯一的三参数蛋圆曲线,调节a、b、k三个参数比例,可以无限逼近符合定义的任何蛋圆,包括获得比椭圆方程式更精确地逼近真实的地球外形方程式。

图3:计算机绘制的立体蛋圆——蛋球面

(方程式为:(x^2 + z^2) /16 + y^2/(0.2y +5)^2= 1)

图4:上海世博文化中心(从模型纪念品可见其俯视图为平面蛋圆曲线)

注释

注1 卵形线定义:平面上与任一直线相交不多于两点的闭曲线。它是凸闭曲线。

《数学词典》215页,上海辞书出版社1992年8月第一版。

注2 本文主要引用《浅析椭圆的一种推广——蛋圆》曹明建、曹明达1999-09-01。

注3 国内课题来源:《科学画报》1983.6,36页《怎样画蛋》王根明、陆彤,“用数学术语来表示蛋的形态曲线,至今还没有研究出来。”(第8行)

注4 国际课题来源:英国《新科学家》29july1982,Vol95,No1316,P290 <<The drawing-out of an egg>>,Robert Dixon,P293末段。

注5 蛋圆应用介绍:(1)《知识窗》1995.11,25页,《蛋形的奥秘》曹明建、王令朝。(2)《科学画报》1996.11,13页《蛋形的魅力》王令朝,本文披露了蛋圆标准方程,可惜方程式在逗号前漏印了“= 1”。(3)《文汇报》2008.07.29.11版《师法自然赋流形(上)》詹克明,整个第二节讨论“师法蛋壳力学特征的穹顶结构”。

注6 其他蛋圆

(1)卡西尼卵形线 ,《数学手册》高等教育出版社1979年5月第一版,392页。与二定点的距离之积为常数的动点轨迹,

( x^2 + y^2)^2- 2c^2(x^2-y^2) = a^4 -c^4 (a < c)

(2)《数学通报》1995.7,36页《关于超圆、超球等几何图形面、体积的计算》张正印,x^2 + y^2 = (y a^1/n )^[2n/(n+1)],(a>0,n>0)

(3)《形形色色的曲线》178页,孟格尔卵形线ρ= 2a cos ^n θ ,

N 为正整数。蒋声编著,属于《中学生文库精选续编·数学趣谈辑》,上海教育出版社1999年12月第2版。

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更新时间:2024/12/24 1:03:26