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、 為半徑作兩圓,
前者稱為固定圓、後者稱為滾動圓。因為
,所以,固定圓與滾動圓外切,
設切點為 Q。設射線
與固定圓交於 U 且 A 與 U 在 O 的異側、射線
與滾動圓交於 V 且 P 與 V 在 I 的異側,
則可得
。
因為固定圓與滾動圓的半徑相等,
而固定圓的圓心角 與滾動圓的圓心角 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 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 AB 為 X 軸,則可得蚶線的參數方程式如下:
設以
為始邊、
為終邊的有向角 t 弧度,
則以
為始邊、
為終邊的有向角為 2t 弧度。
又設 P 點的坐標為 (x,y),則得
- 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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