卵圆是人们常见的图形,根据对家禽卵(蛋)的形状考察,应用
多焦点圆的原理和方法,明确了卵圆的形成规则、图形特征和参数计算,对卵圆有了基本认识。
卵圆的概念
卵圆的概念来自于家禽和卵生动物的卵(蛋),整个卵(蛋)称为卵球体,纵截面的形状习惯上称为卵圆。卵圆名词在医学和生物学上应用的较多,如:卵圆细胞、卵圆形叶片、卵圆形果实等等。事实上,人们对卵圆的直观认识由来已久,人类从原始的茹毛饮血时代开始,就有取食于禽、鸟类卵的习惯,当今人们采用规模饲养家禽的方法取卵,成为餐桌上的美味佳肴。然而,人们对自然界中的各种几何图形都作了细致的研究,唯有卵圆图形未能有一个明确的描述和定义,对圆形的认识仍然停留在圆和椭圆阶段。应用多焦点圆的原理和方法,对卵圆的图形特征和形成规则有一个基本认识。
卵圆形状
根据对家禽卵(蛋)的观察和在灯光下的投影,作卵圆的示意图,见图1。
图1卵圆示意图
由图1可知,卵圆的图形特征:1具有一条对称轴,属于对称图形;2 两端不对称,一头大另一头小;3卵圆的长、扁,长大于宽为长形卵圆,宽大于长为扁形卵圆;4具有反映图形特征的三个特征参数长、宽、和半轴;5卵圆周是规范闭合曲线。
2形成规则
2.1原理
多焦点圆理论与方法表明:卵圆和圆、
椭圆都具有相同的属性和图形特征,各种圆形满足动点与定点间环线长为常数的规则。不同的是焦点数目和对称轴数目,形成各有特色的不同图形。采用环线的方法将各种圆形的概念统一起来。
所谓环线,是指一条环形闭合线。各种圆形在其形成规则中,动点与定点之间以环线为常数的规则。环线内可容纳多个定点(焦点),多个定点(焦点)之间的连线,形成定点(焦点)多边形,如:点、线段、三角形、四边形等等。不同数目焦点和焦点形状,形成各种形状的多焦点圆图形。
圆、椭圆和卵圆的形状存在着明显的差异。从焦点数目角度分析,圆是一个焦点,椭圆是两个焦点。增加一个焦点,使圆变扁形成了椭圆。卵圆与椭圆类似,相当于椭圆的宽偏离中点,卵圆的焦点数目应该多于椭圆的焦点数目。因此,应用环线的方法,通过增加焦点数目,引起椭圆变形从而得到卵圆。
2.2 圆形作图—环线作图方法
环线作图方法属于连续移动作图,是各种圆形的通用作图方法,适合不同大小的圆、
椭圆和卵圆的作图。
方法简介:(1)环形线制作:取一段长度(30—50cm)和粗细适中弹性小的软线,一段8mm长细电线空塑料管,软线从塑料管中相向窜过,塑料管将软线夹紧,但用力能抽动,形成能收缩和放长的环形线。(2)作图工具为环形线、大头针、直尺和笔。(3)在作图平面上作出焦点
纺锤形和边的延长线的交点。(4)将大头针分别直立、固定在纺锤形的四个顶点上;(5)将符合长度的环形线套在大头针外,画笔由内向外拉直环线,通过调整环线的长度使笔尖刚好落在纺锤形边的延长线的交点上,将画笔移动一周。
2.3内在规则
应用环线方法,对不同焦点数和焦点形状的图形分析、比较,得到一种特定条件的四焦点圆,符合卵圆的基本图形特征。即:四个焦点为纺锤形,以
纺锤形边的延长线的交点为动点,与
纺锤形之间形成的环线长为常数的四焦点圆。
标准卵圆定义:平面内,以任意纺锤形边的延长线的交点为动点,与纺锤形之间形成的环线长为常数的轨迹称做四焦点标准卵圆。
纺锤形称为焦点多边形,是卵圆的基本属性。
卵圆是受条件约束的四焦点圆,符合卵圆图形特征,具有形成图形的内在规律。因此,把特定条件的四焦点圆称为标准卵圆。
3特性
3.1六段弧组合曲线
卵圆是由五个椭圆(相关联或约束)的六段椭圆曲线通过相切组合形成的规范的闭合光滑曲线图形。建立适当的直角坐标系,根据纺锤形参数,各段椭圆曲线都能够建立对应的椭圆方程。根据分段函数方程,对曲线和图形作具体分析。卵圆曲线属于分段函数,是规范的分段函数曲线图形。
3.2三参数平面图形
表示卵圆图形的大小和形状,至少需要三个参数或特征参数,属于三个参数的平面图形。
3.2.1参数
形成卵圆图形的基本数据称为参数。卵圆图形是由纺锤形确定的,纺锤形系指:具有一条对称轴,对角线互相垂直的四边形。见图4中的四边形ABDC。
纺锤形的几何特征为:一条对称轴、两条对称的长边和短边、两条相互垂直的对角线。要确定一个
纺锤形至少需要边长和对角线的任意三个数据。由于纺锤形的边长和对角线之间存在着简单几何关系,可以衍生出比值做为参数。因此,纺锤形是三参数平面图形,所以卵圆也是三参数平面图形。
3.2.2特征参数
卵圆只有一条对称轴,长和宽有数量大小的变化,宽可以在对称轴上的不同位置,图形特征是一头大、一头小,两端不对称。因此,卵圆图形要用长、宽和半轴三个参数描述。长为对称轴的长度;宽为圆周与对称轴垂直的极大值;半轴为宽与对称轴垂足至对称轴两端的长度,纺锤形的长边一端称为上半轴,短边称为下半轴,两个半轴的长短不相等且可以相互转化,将长的半轴称为半轴。因此长、宽和半轴三个特征参数反映卵圆的大小和形状。
3.3分析方法
卵圆的参数分为参数和特征参数两种,两种参数都可以确定一个具体的卵圆。可以从参数和特征参数两个方面对图形进行分析。
3.3.1参数分析
根据已知纺锤形参数值,建立参数与特征参数的关系式,对卵圆作以下几方面分析:
(1)计算对称多焦点圆的特征参数(长、宽、和半轴)。
(2)计算周长、面积。(有待探讨)
(3)计算卵圆的某些特殊值。
(4)卵圆作图。(只有参数方可作出多焦点圆图形)。
(5)卵圆的图形设计。(任意选择参数设计出所需图形)。
3.3.2特征参数分析
通过特征参数(长、宽和半轴)求解参数,再由所求的参数对多焦点圆作具体分析。由于参数与特征参数关系的复杂性,难以通过关系式直接解出参数值。根据卵圆的性质,利用参数与特征参数关系式,采用参数模拟计算方法,实现以特征参数对参数的求解。模拟计算是一种逐步逼近的近似方法,其精确度根据需要自行确定。因此,参数和特征参数两种方式确定同一个卵圆。
3.4单位卵圆
以卵圆的对称轴长为单位长度,卵圆的特征参数除以单位长度,得出单位卵圆的特征参数。单位卵圆的长为1,单位半轴为0.5≤R<1;单位宽值因卵圆形状的长、扁而不同。单位卵圆主要用于不同大小卵圆间的形状和特征的比较和分析。特别是在参数模拟计算中,需要把卵圆特征参数化为单位圆参数。
3.5卵圆方程
3.5.1分段函数方程
四焦点卵圆的6段椭圆弧,根据参数,建立各段椭圆建立联立方程,属于分段函数方程。
基于椭圆或圆的标准方程推导出的卵圆方程称做:
卵圆标准方程。
其中:a为长半径,b为短半径,c为对称半径。
3.5.3四次卵圆方程
3.5.4参数式卵圆方程
3.5.4.1参数式卵圆曲线的周长
3.5.4.2参数式卵圆曲线所围图形面积
3.5.4.3参数式卵圆曲线所围图形的质心
3.5.4.4参数式卵圆曲线所围图形绕y轴的转动惯量
其中是面密度为常数的卵形曲线薄片的质量。
3.5.4.5参数式卵圆曲线曲率K和率半径R
3.5.4.6参数式卵圆曲线所围图形绕y轴旋转而成的旋转卵形体的体积
3.5.4.7参数式卵圆曲线绕y轴旋转而成的旋转卵形体的质心为
4图形特征
卵圆的三参数平面图形多样性,超出人们一般的想象。卵圆的参数和特征参数是相关联的两组数据,参数是卵圆的内在因素,特征参数是卵圆的表现形式。卵圆的宽可以在对称轴上不同位置,宽为卵圆的中点和BD延长线的交点,是卵圆图形特征变化的两个临界点。
当宽处于卵圆对称轴的中点时,卵圆的上、下半轴相等。当宽向纺锤形的短边移动时,长半轴为下半轴;当宽向纺锤形的长边移动时,长半轴为上半轴。因此,中点是上、下半轴互为长半轴的临界点。
5计算方法
卵圆由参数和特征参数两种表示方法。参数系指焦点纺锤形参数或比值,特征参数系指形状参数。根据卵圆参数,可以建立参数与参数、参数与特征参数之间关系式。
5.1参数计算
根据卵圆的参数,通过建立的参数和参数、参数和特征参数的关系式,在微机上编制计算表格,计算卵圆的相关参数和特征参数。设AB、BD和BC为卵圆的三个参数(可以设定为其他参数),三个参数确定纺锤形ABDC,从而确定一个标准卵圆。因此,三个参数可以计算出卵圆的特征参数和相关参数。
5.2特征参数
由卵圆的特征参数与参数之间能够建立的等式关系式,已知特征参数的长、宽和半轴,则不能直接计算出卵圆的参数值,这是由于两者间复杂关系决定的。采用模拟计算方法,解决了已知特征参数卵圆的参数求解(算例略)。
6参考文献:
多焦点圆及其椭圆和卵圆[J].图学学报,2013,34(2):52—64.
多焦点圆.百度百科.