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對數螺線


LogarithmicSpiral

對數螺線是一種螺線,其極座標方程由下式給出

 r=ae^(btheta),
(1)

其中 r 是到原點的距離,theta 是從 x的角度,ab 是任意常數。對數螺線也稱為生長螺線、等角螺線和奇異螺線。它可以引數化表示為

x=rcostheta=acosthetae^(btheta)
(2)
y=rsintheta=asinthetae^(btheta).
(3)

這種螺線斐波那契數黃金比例黃金矩形有關,有時也稱為黃金螺線。

LogarithmicSpiralConst

對數螺線可以透過從等距射線構造,方法是從一條射線上的一個點開始,並繪製到相鄰射線的垂線。隨著射線數量趨於無窮大,線段序列逼近光滑的對數螺線(Hilton et al. 1997,第 2-3 頁)。

對數螺線最早由笛卡爾於 1638 年和雅各布·伯努利研究。伯努利對螺線如此著迷,以至於他讓人將螺線刻在他的墓碑上(儘管雕刻師沒有將其繪製成真實形狀),並附上文字“eadem mutata resurgo”(“我將以同樣的方式復活,儘管已改變”)。托里切利獨立研究了它,並找到了曲線的長度(MacTutor Archive)。

半徑的變化率是

 (dr)/(dtheta)=abe^(btheta)=br,
(4)

並且在點 (r,theta) 處,切線和徑向線之間的角度是

 psi=tan^(-1)(r/((dr)/(dtheta)))=tan^(-1)(1/b)=cot^(-1)b.
(5)

因此,當 b->0 時,psi->pi/2,螺線逼近一個

如果 P 是螺線上的任意點,則從 P 到原點的螺線長度是有限的。實際上,從點 P 沿半徑向量測得距離原點為 r 的點 P,沿螺線從 P極點的距離恰好是弧長。此外,從原點出發的任何半徑與螺線相交的距離都成等比數列(MacTutor Archive)。

對數螺線的弧長(從原點 t=-infty 測量)、曲率切線角由下式給出

s(theta)=(asqrt(1+b^2)e^(btheta))/b
(6)
kappa(theta)=(e^(-btheta))/(asqrt(1+b^2))
(7)
phi(theta)=theta.
(8)

則 Cesàro 方程由下式給出

 skappa=(1-akappasqrt(1+b^2))/b.
(9)

在球面上,類似物是斜航線


另請參閱

阿基米德螺線, 黃金矩形, 黃金螺線, 對數螺線反射包絡線, 對數螺線漸屈線, 對數螺線反曲線, 對數螺線垂足曲線, 對數螺線徑向曲線, 老鼠問題, 螺線, 拖網漁船問題, 渦卷

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參考文獻

Archibald, R. C. "The Logarithmic Spiral." Amer. Math. Monthly 25, 189-193, 1918.BioMedNet. "Art Gallery: Spira Mirabilis." http://news.bmn.com/hmsbeagle/89/xcursion/artgalry/.Bourbaki, N. "The Most Mysterious Shape of All." Quantum, 32-35, March/April 1994.Boyadzhiev, K. N. "Spirals and Conchospirals in the Flight of Insects." Coll. Math. J. 30, 23-31, 1999.Cook, T. A. The Curves of Life, Being an Account of Spiral Formations and Their Application to Growth in Nature, To Science and to Art. New York: Dover, 1979.Gray, A. "Logarithmic Spirals." Modern Differential Geometry of Curves and Surfaces with Mathematica, 2nd ed. Boca Raton, FL: CRC Press, pp. 40-42, 1997.Hilton, P.; Holton, D.; and Pedersen, J. Mathematical Reflections in a Room with Many Mirrors. New York: Springer-Verlag, 1997.Lawrence, J. D. A Catalog of Special Plane Curves. New York: Dover, pp. 184-186, 1972.Livio, M. The Golden Ratio: The Story of Phi, the World's Most Astonishing Number. New York: Broadway Books, pp. 116-120, 2002.Lockwood, E. H. "The Equiangular Spiral." Ch. 11 in A Book of Curves. Cambridge, England: Cambridge University Press, pp. 98-109, 1967.MacTutor History of Mathematics Archive. "Equiangular Spiral." http://www-groups.dcs.st-and.ac.uk/~history/Curves/Equiangular.html.Smith, D. E. History of Mathematics, Vol. 2: Special Topics of Elementary Mathematics. New York: Dover, p. 329, 1958.Steinhaus, H. Mathematical Snapshots, 3rd ed. New York: Dover, pp. 132-136, 1999.Thompson, D'Arcy W. Science and the Classics. Oxford, England: Oxford University Press, pp. 114-147, 1940.Wells, D. The Penguin Dictionary of Curious and Interesting Geometry. London: Penguin, pp. 67-68, 1991.

請引用為

Weisstein, Eric W. “對數螺線。” 來自 Web 資源。 https://mathworld.tw/LogarithmicSpiral.html

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