四個角不是直角的四邊形 多邊形的直角座標方程

2021-10-12 18:29:19 字數 2740 閱讀 6728

這是一篇關於多邊形直角座標方程的構造方法的文章,在文章末尾順便提出了筆者關於更一般的「拼接式」曲線的方程構造想法(當然核心公式在角方程部分已標紅,如果想理解這一過程,請務必仔細閱讀角方程部分關於公式(8)和(9)的說明),我想很多有「方程強迫症」或者有完美主義傾向的朋友會對這方面感興趣,當然也歡迎單純好奇的朋友玩賞並參與指正。因為很少寫文,文中難免有語句不通順的地方,望讀者諒解。

前注:標紅的公式為核心公式,與本文推導的核心思想有關。

我們知道,絕對值函式和最值函式(最大值函式,最小值函式)都可以用分段函式表示。因此,絕對值函式和最值函式也可以相互表示。我們從絕對值函式和最值函式的基本定義出發來推導這兩者之聯絡。

絕對值函式:

根據(3),我們有

,更進一步,

我們再根據(4)的結果反推

的表示式:

根據(2),則有

總結一下:

1. ;

2. ;

3. ;

4. .

以上四條,將會是我們接下來所有推導的基礎。

這一節重點討論以原點為中心(對角線交點),或者以座標軸為基準的多邊形方程,姑且稱之為「標準方程」,事實上在後面的推導過程中我們會看到,這種「標準方程」和我們習慣的圓錐曲線等的標準方程並不是同乙個概念,由於多邊形的不規則性而更具一般意義,只是由於其構造方便而姑且稱之「標準方程」。先從角的表示看起:

(一)角的方程

我們知道,乙個幾何意義上的「角」由兩條互成一定夾角的射線組成,在現有的方程中,圖形最接近「角」的函式,莫過於y=|x|了,這也是我們構造角方程的乙個重要出發點。值得注意的是,由y=|x|直接構造出的角往往是關於與縱軸平行的直線對稱的,這不利於我們構造更為一般的角方程。所以,我們從最值函式的角度出發,藉以構造角的方程。

我們知道,

表示a,b中的較小者,那麼

表示什麼呢?

和 中「較小」的乙個曲線?儘管在代數上並不難解釋,但在幾何上,我們似乎缺少一種對應關係來描述這一問題。好在經過一些簡單的嘗試,我們不難發現

實際上是把

和 分段重組了。或者說,定義「大小關係」的分割線,是

中的 也就是說,(9)式所對應的幾何上的曲線把平面分成了

和 兩部分,我們可以稱之為「零界線」,這樣就可以很方便的確定「大小關係」了。

有了上述概念上的準備,我們就可以很方便的利用現有直線構造「角方程」了。

首先,假定我們有兩條已知直線

,他們的「零界線」為

,在直角座標系下畫出他們的圖形,我們可以很容易看出角的朝向:

如圖,這個例子中紫線為「零界線」,按

函式的定義,可以得出

表示的圖形在「小」字的一側,即乙個頂點在原點,開口向第四象限的角。通過平移,我們也可以得到更為一般的角方程。

(二)三角形方程

角方程的構造中,我們採用的是 ((8)式中)

的形式,可以說是「邊+邊」的模式。如何寫出乙個三角形方程呢?我們可以採用類似的形式,即「角+邊」式。如下圖,令f(x,y)為一角方程,g(x,y)為一直線方程,即可構造出乙個三角形方程。(ps:f(x,y)和g(x,y)表示式前符號的正負會影響零界線的形狀和位置,所以請以實際形狀為準,符合下圖形式的就可構造出正確的表示式)

舉個栗子:

e.g.1中心在原點,對稱軸為y軸的正三角形方程:

圖形:

因為作圖用的幾何畫板不支援隱函式的方程,只能用引數方程表示x,y再畫出圖形,這裡x=h(t),y=q(t),t為圖中的變數theta

(選用的引數方程:

)(三)四邊形方程

這一節,我們將著重介紹平行四邊形方程及有關性質,包括引數方程,再對一般的四邊形方程作適當的推廣。

先看一類菱形(標準)方程:

,其引數方程為

其中a,b的幾何意義為菱形的(半)對角線長,方程(10)表示中心在原點,對角線與座標軸重合的菱形。

對上述方程適當延伸一下,就可以得到任意平行四邊形方程:

其中 為平行四邊形的兩條對角線,平行四邊形的形狀、(面積)大小由

二者決定,中心為兩直線的交點。

更一般的四邊形方程:我們延續三角形方程與角方程的構造思想,採用「角+角」法構造。

對於n為偶數(且多邊形為軸對稱圖形)的情況,其一般表示式為

,其中

, 為連線多邊形的任意兩個頂點的連線,且

之間無公共頂點(即交點不是多邊形的頂點)。(注意:這裡

的係數影響多邊形的大小,不可隨意約化)

對於其他情況,可以用兩個連續的多段折線函式通過公式(8)的方法拼接而成。

這一節的思想便是公式(8)的精髓所在,從幾何直觀的角度,公式(8)就是乙個萬能的二元拼接函式(當然一般為閉曲線式的拼接,不適用於某些開曲線的構造),通過迭代的方式,就能產生更為複雜的多段拼接函式,當然,方程在代數上的複雜性也不言而喻。。。下面舉幾個栗子作參考:

e.g.1萊洛三角形:

引數方程:

,其中

萊洛三角形

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