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擺線


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擺線是半徑為 a在一個直線上滾動時,圓周上一點的軌跡。伽利略於 1599 年研究並命名了它。伽利略試圖透過稱量切割成擺線形狀的金屬片來找到面積。托里切利、費馬和笛卡爾都找到了面積。羅伯瓦爾在 1634 年、雷恩在 1658 年、惠更斯在 1673 年和約翰·伯努利在 1696 年也研究了擺線。羅伯瓦爾和雷恩找到了弧長(MacTutor 檔案館)。齒輪齒也由擺線製成,這是德扎格在 17 世紀 30 年代首次提出的(Cundy and Rollett 1989)。

1696 年,約翰·伯努利挑戰其他數學家找到解決最速降線問題的曲線,他知道答案是擺線。萊布尼茨、牛頓、雅各布·伯努利和洛必達都解決了伯努利的挑戰。擺線也解決了等時降線問題,正如《白鯨記》中的以下段落所暗示的那樣:“[煉油鍋] 也是一個進行深刻數學冥想的地方。在皮쿼德號左舷的煉油鍋裡,皂石勤奮地在我周圍旋轉,我第一次間接地被一個非凡的事實所震撼,即在幾何學中,所有沿著擺線滑動的物體,例如我的皂石,都將在完全相同的時間內從任何點下降”(梅爾維爾 1851 年)。由於擺線在 17 世紀頻繁引發數學家之間的爭吵,擺線被稱為“幾何學家的海倫”(Boyer 1968,第 389 頁)。

當光線平行於 y時,擺線反射線是具有兩倍拱形的擺線。擺線的徑曲線是一個擺線的漸屈線漸伸線是相同的擺線。

如果擺線在原點有一個尖點,並且它的峰向上,則其引數方程為

x=a(t-sint)
(1)
y=a(1-cost).
(2)

峰在對應於 2pi 的連續倍數的 t 值處完成,高度為 2a,長度為 2pia。消除上述方程中的 t 得到笛卡爾方程

 x=acos^(-1)(1-y/a)-sqrt(2ay-y^2)
(3)

這對於 y in [0,2a] 中的 y 有效,並給出擺線的第一個峰的前半部分。隱式笛卡爾方程由下式給出

 |x/a-2pi|_1/2+x/(2pia)_||=cos^(-1)(1-y/a)-sqrt(2y/a-(y/a)^2).
(4)

擺線第一個峰的弧長曲率切線角

s(t)=4a{(-1)^(|_t/(2pi)+1/2_|)[1-|cos(1/2t)|]|sin(1/2t)|csc(1/2t)+2|_t/(2pi)+1/2_|}
(5)
kappa(t)=-(|csc(1/2t)|)/(4a)
(6)
phi(t)=1/2(pi-t+2pi|_t/(2pi)_|).
(7)

對於第一個峰,

 s(t)=8asin^2(1/4t).
(8)

對於擺線的單個峰,曲線下的弧長面積因此為

L=8a
(9)
A=3pia^2.
(10)

另請參閱

最速降線問題, 短幅擺線, 環面, 擺線反射線, 擺線漸屈線, 擺線漸伸線, 外擺線, 內擺線, 長幅擺線, 等時降線問題, 旋輪線

使用 探索

參考文獻

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請引用為

韋斯坦因,埃裡克·W. "擺線." 來自 網路資源。 https://mathworld.tw/Cycloid.html

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