用Desmos绘制极坐标函数的图像
Desmos作为一款优秀的数学函数作图软件,可以绘制多种类型的二维函数图像,包括:显函数、隐函数、极坐标函数。
而且,Desmos能够把除了字母x、y、r、θ、e、π以外的其它字母转变为“滑块”,实现了动态效果。
r=r(θ)表示的是极坐标函数,当θ从0变化到2π,得到的动态图形,正是极坐标图形的画图过程。
下面,我就介绍一下用Desmos的具体步骤。
玫瑰线
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先来画几个漂亮的极坐标图形。 玫瑰线: 三叶玫瑰线——r=sin(3θ)和r=cos(3θ) 四叶玫瑰线——r=sin(2θ)和r=cos(2θ) 五叶玫瑰线——r=sin(5θ)和r=cos(5θ)
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考虑一般情形r=sin(aθ),当a取不同的值的时候,会是什么情形呢?让我们来看下面的动画效果: r=\sin (a\theta )和 r=\cos (a\theta ) 当a从-10增加到10,曲线的形状会发生剧烈的变化。 而当a分别位于分子、分母的时候,又是截然不同的变化: r=\sin (\frac{\theta }{a}) 和 r=\cos (\frac{\theta }{a})
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让玫瑰线绕原点旋转起来。 r=sin(3θ+a) Desmos输入法是: r=\sin (a+3\theta ) 其中,a是曲线的旋转参数,当a从0变为2π,代表曲线绕原点顺时针旋转了一圈。
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看看玫瑰线是怎么画出来的! r=r(θ){0<θ<a} 把a视为绘图参数,整个图形随着a的增加,慢慢的显现出来。 以“四叶玫瑰线”为例,Desmos输入: r=\sin (2\theta )\left\{0<\theta <a\right\} 同样的,所有的极坐标图形的画图过程,都可以用这种方法看出它的画图过程,只不过需要改变一下a的取值范围。
更多著名曲线
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心形线。 Desmos输入: r=1+\sin \left(\theta \right) 及其它类型,如图。 另一种心形线: r=\arccos \left(\sin \left(\theta \right)\right)
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费马螺旋线。 其方程式是:r^2=θ, 画图过程的Desmos输入: r=\sqrt{\theta }\left\{0<\theta <a\right\}, 遗憾的是,这个图形在Desmos里面只能画出0到12π的范围!
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阿基米德螺线的画图过程。 Desmos分别输入: r=\theta \left\{0<\theta <a\right\} (其中,a从0到10π); 思考一下,怎么让阿基米德螺线绕着原点旋转?
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双曲螺旋线,是倒数形式的阿基米德螺线。Desmos输入: r=\frac{1}{\theta } 而它的画图过程是: r=\frac{1}{\theta }\left\{0<\theta <a\right\} (其中,a的范围是从1.5到10π)。
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伯努利双扭线的出图过程。 极坐标方程是:r^2=sin(2θ)和r^2=cos(2θ) 但是,Desmos不能这样输入,左边必须是r,不可以用r的其它形式。输入法如下: r=\sqrt{\sin \left(2\theta \right)}\left\{0<\theta <a\right\} r=\sqrt{\cos \left(2\theta \right)}\left\{0<\theta <a\right\}
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未命名曲线。 r=2sin(θ)+4cos(2θ) 它的绘图过程如下: r=2\sin \left(\theta \right)+4\cos \left(2\theta \right)\left\{0<\theta <2a\right\} 其中,a只需要从0到π,就可以把图画完整! 用b作为它的旋转参数,也就是把自变量θ变成θ+b: r=2\sin \left(\theta +b\right)+4\cos \left(2\left(\theta +b\right)\right)\left\{0<\theta <2a\right\} 旋转过程如下图。
无数可能
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考虑这样的极坐标函数: r=sin(θ)+sin(2θ)+sin(3θ)的图形。 这个图形的画图过程是: r=\sin \left(\theta \right)+\sin \left(2\theta \right)+\sin \left(3\theta \right)\left\{0<\theta <a\right\}
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再把正弦函数全部替换为余弦函数,就成为另一番情形,Desmos输入: r=\cos \left(\theta \right)+\cos \left(2\theta \right)+\cos \left(3\theta \right)\left\{0<\theta <a\right\} 看看原点附近的细节——放缩功能——鼠标放在原点附近,滚动鼠标中间的滑轮。
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如果把θ前面的系数变成不同的参数呢? r=\cos \left(a\theta \right)+\cos \left(b\theta \right)+\cos \left(c\theta \right) 分别让a、b、c运动,产生如下动态图。 如果让a、b、c以不同的速度一起运动,会是什么情景?自己去试试!
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怎么让这样的曲线绕着原点旋转起来呢? 只需要把自变量θ置换为θ+d,其中d是旋转参数: r=\cos \left(a\left(d+\theta \right)\right)+\cos \left(b\left(d+\theta \right)\right)+\cos \left(c\left(d+\theta \right)\right) 当a=b=1,c=3.1时,情形如下图。
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如果正弦函数和余弦函数交叉使用的话,又会产生很多不同的情形。只举一个例子,模仿上一步的旋转图形: r=\cos \left(a\left(d+\theta \right)\right)+\sin \left(b\left(d+\theta \right)\right)+\cos \left(c\left(d+\theta \right)\right)
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上图的画图过程是: r=\cos \left(a\theta \right)+\sin \left(b\theta \right)+\cos \left(c\theta \right)\left\{0<\theta <d\right\} 其中,d是画图过程参数。 自己去看看密集区的细节吧!
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如果不止三项,而是更多项呢? 四项余弦之和: r=\cos \left(a\theta \right)+\cos \left(b\theta \right)+\cos \left(c\theta \right)+\cos \left(d\theta \right) 五项余弦之和: r=\cos \left(a\theta \right)+\cos \left(b\theta \right)+\cos \left(c\theta \right)+\cos \left(d\theta \right)+\cos \left(f\theta \right) (注意,字母e是常数,因此引进的新参数不是e,而是f) 仔细看a、b、c、d、f的取值。
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如果θ替换为θ的其它函数形式,如θ的多项式、θ的多重正弦余弦嵌套等等,各种可能实在是太多了,无穷无尽。 举个简单的例子: r=\sin \left(\cos \left(2\theta \right)\right)+\cos \left(\sin \left(\theta \right)\right)\left\{0<\theta <a\right\} 和 r=2\sin \left(\cos \left(3\theta \right)\right)+\cos \left(\sin \left(3\theta \right)\right)\left\{0<\theta <a\right\} 可以说,任何方法,都不可能把所有情形对应的极坐标曲线全部显示出来。