維維亞尼曲線

維維亞尼曲線

維維亞尼曲線(Viviani curve)是一種特殊曲線,球面x²+y²+z²=a²與圓柱面x²+y²-ax=0的交線。它的參數方程可寫作r(t)=(a cos²θ,a cos θ sin θ,a sinθ),θ∈[0,2π],是由球面上經度與緯度相等或成相反數的點組成的。維維亞尼(V.Viviani)在整理和修復佛羅倫斯圖書館所藏的東方學者對阿波羅尼奧斯(Apollonius,(P))所著《圓錐曲線論》第5卷的評註時,於1692年正式提出了佛羅倫斯之迷:求一個教堂的半球形屋頂的面積,在屋頂的四面挖去相同的圓孔形窗戶,此即球面與兩個柱面的交線,這個問題曾經引起過許多數學家如約翰第一·伯努利(Bernoulli,Johann Ⅰ)、沃利斯(J.Wallis)和洛必達(L′Hospital,G.-F.-A.de)的重視,特別是早在1689年,萊布尼茨(G.W.Leibniz)還從德國到義大利去會見維維亞尼,並用積分法給出此問題的解法 。

基本介紹

維維亞尼曲線是由方程組

維維亞尼曲線 維維亞尼曲線

確立的曲線,其中第一個方程代表球面,第二個方程代表圓柱面,維維亞尼曲線即是兩個面的交線。

圖1  維維亞尼曲線 圖1 維維亞尼曲線

維維亞尼曲線的參數方程

由維維亞尼曲線:

維維亞尼曲線 維維亞尼曲線

圓柱面的方程即方程(2)可以寫為

維維亞尼曲線 維維亞尼曲線

由圓的參數方程可得

維維亞尼曲線 維維亞尼曲線
維維亞尼曲線 維維亞尼曲線

代入中即得

維維亞尼曲線 維維亞尼曲線

故得所求的交線的參數方程為:

維維亞尼曲線 維維亞尼曲線

例題解析

維維亞尼曲線 維維亞尼曲線

【例1】一個半徑為a的球面與一個直徑為小於球面半徑的圓柱面,如果圓柱面通過球心,那么這時球面與圓柱面的交線叫做維維安尼(Viviani)曲線,這條曲線的方程可以寫為試求此曲線對三個坐標面的射影柱面方程。 .

分析 求曲線對於坐標面的射影柱的方程一般通過消變數的方法,這裡要注意變數的範圍 。

維維亞尼曲線 維維亞尼曲線

顯見,曲線對xOy面的射影柱面為圓柱面,

消去y得

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由,知

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從而曲線對xOz面的射影柱面是拋物柱面滿足的部分。

消去x得

維維亞尼曲線 維維亞尼曲線

從而曲線對yOz面的射影柱面方程為

維維亞尼曲線 維維亞尼曲線

【例2】求維維安尼(Viviani)曲線

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關於三個坐標面的投影柱面。

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維維亞尼曲線 維維亞尼曲線
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所給方程中不含z,故它就是曲線關於XOY面的投影柱面方程,將其化為可看出該投影柱面是一個圓柱面,將所給兩個方程相減可得,可見曲線關於XOZ面的投影柱面是一個拋物柱面,從後一個投影柱面方程解出x,代入前一個投影柱面方程可得,這就是曲線關於YOZ面的投影柱面(圖2)。

圖2 圖2

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