星形线参数方程
如圖,大圓⊙(O;R),小圓⊙(O’;r),
小圓沿著大圓內邊滾動,保持相切,推導小圓上一特定點p的軌跡參數方程。
p’點坐標(x,y)(x,y)(x,y)表示為:
{x=(R?r)cos?α+rcos?θy=(R?r)sin?α?rsin?θ\begin{cases} x=(R-r)\cos\alpha + r\cos\theta \\ y=(R-r)\sin\alpha - r\sin\theta \end{cases} {x=(R?r)cosα+rcosθy=(R?r)sinα?rsinθ?
其中,θ,α≥0\theta,\alpha\ge0θ,α≥0,由滾動時的路程關系得:(α+θ)r=αR(\alpha+\theta)r=\alpha R(α+θ)r=αR
代入上式得:
{x=(R?r)cos?α+rcos?R?rrαy=(R?r)sin?α?rsin?R?rrα\begin{cases} x=(R-r)\cos\alpha + r\cos\dfrac{R-r}{r}\alpha\\ y=(R-r)\sin\alpha - r\sin\dfrac{R-r}{r}\alpha \end{cases} ??????x=(R?r)cosα+rcosrR?r?αy=(R?r)sinα?rsinrR?r?α?
此即p點軌跡的參數方程。
當Rr=4\cfrac{R}{r}=4rR?=4 時,
{x=3R4cos?α+R4cos?3α=Rcos?3αy=3R4sin?α?R4sin?3α=Rsin?3α\begin{cases} x=\cfrac{3R}{4}\cos\alpha + \dfrac{R}{4}\cos3\alpha &=R\cos^3\alpha\\ y=\cfrac{3R}{4}\sin\alpha - \dfrac{R}{4}\sin3\alpha &=R\sin^3\alpha \end{cases} ??????x=43R?cosα+4R?cos3αy=43R?sinα?4R?sin3α?=Rcos3α=Rsin3α?
即為星形線,或稱為四尖瓣線,是一個有四個尖點的內擺線
直角坐標方程是:
x2/3+y2/3=R2/3x^{2/3}+y^{2/3}=R^{2/3} x2/3+y2/3=R2/3
性質: 若星形線上某一點(參數α=α0\alpha=\alpha_0α=α0?處)切線為L(x,y)L(x,y)L(x,y),其方向向量為(dxdα,dydα)∣α=α0(\cfrac{dx}{d\alpha},\cfrac{dy}{d\alpha})\bigg|_{\alpha=\alpha_0}(dαdx?,dαdy?)∣∣∣∣?α=α0??,相應的切線方程為
L(x,y):xsin?α0+ycos?α0=Rsin?α0cos?α0L(x,y): x\sin\alpha_0+y\cos\alpha_0=R\sin\alpha_0\cos\alpha_0L(x,y):xsinα0?+ycosα0?=Rsinα0?cosα0?
如果切線L(x,y)L(x,y)L(x,y)分別交x、y軸于點A(Rcos?α0,0)、B(0,Rsin?α0)\mathbf{A}(R\cos\alpha_0,0)、\mathbf{B}(0,R\sin\alpha_0)A(Rcosα0?,0)、B(0,Rsinα0?),則線段 AB≡R\mathbf{AB}~\equiv~ RAB?≡?R.故星形線可看作由一個線段包絡而成。
星形線在公共汽車門中也有應用
一扇折疊式車門所占的地方約占普通車門的3/16 ,大大節約了空間,使車輛能載更多的乘客。
總結
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