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蚶線 (第 4 頁)

趙文敏

 


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.作者當時任教於師大數學系
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蚶線是外次擺線

心臟線是蚶線的一種特殊情形, 而心臟線是一外擺線, 外擺線又是外次擺線 (epitrochoid) 的特殊情形, 我們很自然會將蚶線與外次擺線聯想在一起。

在圖三中,設 P 點是以圓 O 為基圓、點 A 為基點、k 為常數的蚶線上一點, 直線 AP 與基圓交於另一點 W。 選取 I 點使得 PMOI 是一個平行四邊形, 請注意:對每個 P 點而言,點 I 是唯一的。 分別以點 O 與點 I 為圓心、$\frac{1}{2k}$ 為半徑作兩圓, 前者稱為固定圓、後者稱為滾動圓。因為 $\overrightarrow{OI} = \overline{MP} = k$,所以,固定圓與滾動圓外切, 設切點為 Q。設射線 $\overrightarrow{AO}$ 與固定圓交於 UAUO 的異側、射線 $\overrightarrow{PI}$ 與滾動圓交於 VPVI 的異側, 則可得 $\angle QIV = \angle API = \angle AMO = \angle MAO = \angle QOU$。 因為固定圓與滾動圓的半徑相等, 而固定圓的圓心角 $\angle QOU$ 與滾動圓的圓心角 $\angle QIV$ 相等, 所以,固定圓上弧 QU 的長與滾動圓上弧 QV 的長相等。 這樣的現象表示什麼意義呢?我們說明如下。

取一個半徑為 $\frac{1}{2k}$ 的固定圓, 另取一個大小與固定圓相同的滾動圓, 讓滾動圓沿著固定圓的外部作沒有滑動的滾動, 此外,還選定一個與滾動圓圓心距離為 a的定點, 在滾動前,定點與固定圓圓心O的距離為 a+k。 亦即:定點、固定圓圓心、滾動圓圓心等三點共線, 且滾動圓圓心介於其他兩點之間。圖三表示: 當滾動圓滾動到與固定圓相切於Q點時, 滾動圓旁的定點就到達P點。 由此可知:所謂蚶線,乃是當滾動圓與固定圓的半徑相等時, 滾動圓旁的定點所描繪的曲線,這乃是一外次擺線。

若在圖三中建立一個直角坐標系,使O點為原點、 直線 ABX 軸,則可得蚶線的參數方程式如下: 設以 $\overrightarrow{OB}$ 為始邊、 $\overrightarrow{OI}$ 為終邊的有向角 t 弧度, 則以 $\overrightarrow{OB}$ 為始邊、 $\overrightarrow{OM}$ 為終邊的有向角為 2t 弧度。 又設 P 點的坐標為 (x,y),則得

\begin{displaymath}
\left\{
\begin{array}{lcl}
x & = & k \cos t + a \cos 2t \\
...
...in t + a \sin 2t \qquad 0 \leq t \leq 2 \pi
\end{array}\right.
\end{displaymath}

習題:
試討論前述蚶線的極坐標方程式與參數方程式的關係。



圖三

   

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編輯:康明軒 最後修改日期:4/29/2002