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補充-自己的數學整理-3.2- 橢圓的半徑與投影幾何

作者:侵略!花枝丸│2015-08-22 22:39:39│巴幣:12│人氣:4525
此篇是上一篇投影的補充篇。內文同樣有一些詞是自己取的名字,使用上若和學界不同也請輕鬆看待。

橢圓有好幾種半徑,從焦點連到邊上的稱為焦半徑,還有物理常用的平均半徑,還有一種就是從橢圓中心連到邊上的,這種似乎沒有被取名,因此我把它叫做心半徑。橢圓和圓很像,但是總是刻意避開去談橢圓半徑,一個是因為在高中沒有必要,一個是因為每一點的半徑都不同,於是產生了平均半徑。
直角座標下的焦半徑有公式,可以從兩點距離公式化簡得來,網路上有很多解說。相反的,心半徑網路上很難查到資料,也無法像焦半徑那樣從距離公式化簡。
一般直角座標情況下,設橢圓兩焦點為(c , 0) .(-c , 0),則焦半徑公式為
e 就是先前提過的離心率
正負號分別用在兩個焦點,負號用在(c, 0),正號則用在(-c, 0)。將這兩個公式相加答案為2a,符合橢圓的定義(任意點到兩焦點距離和為2a)。從形式上看來,我們需要設定 x 座標,而和y座標無關,因為橢圓上下對稱,設定了點的x座標後,被決定的兩個y座標的焦半徑是一樣的。

用先前的投影概念,也可以算出等價的結果,不過此時是純幾何的結果,並沒有座標,所以公式會和x y座標無關,取而代之的是角度和橢圓的a b c

以焦半徑和x軸正向的夾角來作為計算依據。
把這個橢圓放在三次元空間中,並想像它是由一個圓形透過平行光投影而成,我們就可以利用這個圓形反過來算出這個焦半徑(應該說,這「些」焦半徑)。

sec(secant , 念作西肯,到了高三很多人都以為sec全稱是second) 這個三角函數要到高三才會講到,其實就是cos的倒數,先前是從上面投影下來用cos,那倒算上去就要乘以sec。
橢圓長軸上的黑點就是焦點。只要選擇適當的,我們就可以讓橢圓和圓之間完美投影,這時上面的圓形半徑就會是橢圓的a,而且因為是平行光所以中心互相對應,而想求的焦半徑為R,這時就可以利用這個圓形來寫出方程式。根據勾股定理,可以得出
而其實

展開後會是一個二次方程式,公式解的結果為

此式再經過一連串的化簡可以得到某個簡單的形式。
回頭看最上面的焦半徑,為了讓公式裡不出現x,因此用代入得


看著最後結果的分母,是否感覺十分熟悉?往前尋回前面說過的圓錐曲線極座標形式

唯二的差別是分子不同和分母的加減號碼不同,此時看來或許相差很多,還需要再一些變化。
記得p是指半正焦弦,課堂上有說過橢圓的正焦弦公式為,所以半正焦弦p就是

最後只剩下分母的加減號問題,而這其實只是基準不同產生的差異而已。上面在算焦半徑時所定的基準0度的位置是在焦點(c,0)的右向,而極座標形式則是左向,兩者相差180度,因此有正負之差(),這些都非硬性規定,而只看所使用的基準。先前由投影所解出的複雜答案,經過幾個代換和消去()後的結果也會一模一樣。
由此我們知道了其實先前的極座標形式與焦半徑其實殊途同歸,極座標形式以其中一個焦點為原點,焦半徑公式則給出了在各個角度下,點與焦點的距離,這個結果十分合理。而先前在極座標段落也講過,當e變化時,圖形也會有三曲線的變化,這表示從橢圓推得的焦半徑公式,其實也同時適用於拋物線和雙曲線,一舉三得。

心半徑同理,以半徑和x軸夾角為依據

可以得出

解出答案經過代換和化簡得

另一方面,在直角座標上的公式則為


焦半徑的計算雖然一開始因為多了幾個項,所以比較長,但是到最後根號會消失。相反的,心半徑最初少了幾個項,到最後根號變得無法消去。(看第一個形式的分母會發現它是平方差開根號,這種情形在國高中可沒有公式)。這公式也同樣可以在極座標中畫出橢圓,和雙曲線,但是無法畫出拋物線,因為拋物線沒有所謂「中心」。
心半徑被我用在我先前一篇文章〈上課不認真之 ── 地平線到底有多遠〉中,那時我把地球設為一個橢圓,想計算北緯23.5度的心半徑,但卻天真的以為橢圓的參數式可以直接拿來用,導致半徑數值錯誤。
那時我用參數式算出的半徑答案為6374741.6公尺,
而用這裡的公式算出的正確答案為6374722.382公尺,差了19.2公尺。因為地球非常巨大,非常接近圓形,因此這兩種算法在誤差最大的45度左右也只差了35.9公尺,而其實這種誤差在應用上幾乎可以忽略。
事實上當初會想到用夾角θ來算,而不是直角座標,就是為了要找出計算橢圓(地球)心半徑最正確的公式,因為此夾角在地球上就是緯度數值,而要換算成x座標簡直多此一舉,最後才想到可以借用投影概念來得出公式。

投影概念乍看只是理想中的數學,沒有實際的感覺,但其實我們每天都在接觸投影,不只是影子,每分每秒進入視線中的所有影像,其實都經過投影,只是概念比先前所說的更複雜。
拿兩個平行線來說,兩條平行線原本是處處距離相同、不應該互相碰觸的,但是在我們的視覺裡,永遠都可以看到兩條平行線隨著距離越來越遠,越來越靠近

圖片以五條平行線呈現,左邊是理論上平行線的樣子,右邊則是平常我們眼睛所看到的樣子,平行線看起來互相會越來越接近,最後好像會交在無限遠處,繪畫上這叫做透視,而數學上就屬於投影,是外界的影像(光線)投射到我們眼睛的結果。
描述這種幾何的分支就叫做射影幾何(或投影幾何),我在上一篇所講到的平行光或錐形光投影就屬於這個分支,不過我所講的內容比起真正的學科還要簡略太多了。
另外一個視線投影的例子是,如果在紙上畫出一個圓形,將紙張放斜,則我們看到的會變成橢圓。其實只要我們的眼睛不是從圓心正上方看下去,看到的圓形都會變成橢圓,這也可用投影來描述。
幾何圖形的一些性質經過投影後有些可能會改變,有些則不會;像是線段長、夾角等就可能改變,而不會改變的其中一個例子就是下面所要講的:兩圖形面積比
橢圓面積公式在高二下或許有些人知道,有些人不知道,它很簡短,聽一次就記得起來,但是是如何推導出來的?很多有經驗的人都會直接說用積分算,但其實有個不太嚴謹,但是有理論基礎的推導方法,是我當初還不知道公式時所用的推導法。就是利用圓形斜看變橢圓,也就是平行光投影的概念。

設有一個圓形半徑R,外接了一個正方形,則正方形邊長就是2R。很顯然的,這個圓形面積是,而正方形面積是,兩個圖形的面積比值是
當這個圓形經由投影,變成一個橢圓的同時,外接的正方形也變成了長方形

這時長方形的面積是,假設兩圖形的面積比在投影後不會變,我們就可得出橢圓面積公式

這便是我當初的推導過程,雖然缺少為何面積比不變的證明,但是結果是正確的。
而用投影可以推導橢圓面積,是否能以同理推導出橢圓周長?
答案是不能。
以此方法推導出來的橢圓周長是一個簡單的式子,但其實橢圓的周長是不能以一個簡單的算式表達的,網路上所能找到的簡短的計算式都只是近似值
這種情況在大學之後很常出現,國高中的方程式可以只用基本函數(四則運算、三角函數、指對數函數)以有限長度的表達出來,叫做解析解;而絕大部分方程式的解只能用數字來逼近,就叫數值解,若想要用基本函數表達,有時只能是無限長的算式,不然就得用更複雜的函數表達,還不如直接用電腦來逼近。
引用網址:http://www.jamesdambrosio.com/TrackBack.php?sn=2939186
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