学习matlab三维作图时遇到的一道题,搞不懂为什么要将直角方程转换成参数方程,在经过多次直角作图失败后,还是决定老老实实学下怎么将直角方程转参数方程,然后使用参数方程进行三维作图。
原式: x 2 + ( y − 5 ) 2 = 16 x^2 + (y-5)^2 = 16 x2+(y−5)2=16
需求:将求得原式绕x轴旋转一周所形成的旋转曲面方程。
思路:将原式转换成参数方程,再进行旋转操作。
给定圆的方程 x 2 + ( y − 5 ) 2 = 16 x^2 + (y - 5)^2 = 16 x2+(y−5)2=16,我们可以将其转化为极坐标形式:
x = r c o s θ x = rcosθ x=rcosθ
y − 5 = r s i n θ y - 5 = rsinθ y−5=rsinθ
其中, r r r为极径, θ θ θ为极角。
将 y − 5 = r s i n θ y - 5 = rsinθ y−5=rsinθ代入 x 2 + ( y − 5 ) 2 = 16 x^2 + (y - 5)^2 = 16 x2+(y−5)2=16中,得到:
x 2 + ( r s i n θ ) 2 = 16 x^2 + (rsinθ)^2 = 16 x2+(rsinθ)2=16
化简后得到:
x 2 + r 2 s i n 2 θ = 16 x^2 + r^2sin^2θ = 16 x2+r2sin2θ=16
再将 x = r c o s θ x = rcosθ x=rcosθ代入,得到:
( r c o s θ ) 2 + r 2 s i n 2 θ = 16 (rcosθ)^2 + r^2sin^2θ = 16 (rcosθ)2+r2sin2θ=16
化简后得到:
r 2 ( c o s 2 θ + s i n 2 θ ) = 16 r^2(cos^2θ + sin^2θ) = 16 r2(cos2θ+sin2θ)=16
由于 c o s 2 θ + s i n 2 θ = 1 cos^2θ + sin^2θ = 1 cos2θ+sin2θ=1,
所以: r 2 = 16 r^2 = 16 r2=16
解得 r = 4 r = 4 r=4。
因此,圆的极径 r r r为4。
将 r = 4 r = 4 r=4代入 x = r c o s θ x = rcosθ x=rcosθ和 y − 5 = r s i n θ y - 5 = rsinθ y−5=rsinθ中,得到圆的参数方程:
x = 4 c o s θ x = 4cosθ x=4cosθ
y = 5 + 4 s i n θ y = 5 + 4sinθ y=5+4sinθ
z = 0 z = 0 z=0
这样,我们就得到了圆的参数方程。通过调整 θ θ θ的取值,可以得到圆上的不同点的坐标。
如果将该圆曲面绕x轴旋转一周,可以得到一个旋转体,即一个圆柱体。
对于圆的参数方程 x = 4 c o s θ , y = 5 + 4 s i n θ , z = 0 x = 4cosθ,y = 5 + 4sinθ,z = 0 x=4cosθ,y=5+4sinθ,z=0,我们将z坐标保持不变,即 z = 0 z = 0 z=0。然后,将 x x x和 y y y坐标分别替换为 x ′ x' x′和 y ′ y' y′,表示旋转后的坐标。
对于旋转体的参数方程,我们可以使用极坐标的旋转公式来推导。
x ′ = x x' = x x′=x
y ′ = y c o s φ − z s i n φ y' = ycosφ - zsinφ y′=ycosφ−zsinφ
z ′ = y s i n φ + z c o s φ z' = ysinφ + zcosφ z′=ysinφ+zcosφ
其中, φ φ φ为旋转角度。
对于绕x轴旋转一周,我们可以令 φ = θ φ = θ φ=θ,即旋转角度等于极角。
将 x = 4 c o s θ , y = 5 + 4 s i n θ , z = 0 x = 4cosθ,y = 5 + 4sinθ,z = 0 x=4cosθ,y=5+4sinθ,z=0代入旋转公式,得到:
x ′ = 4 c o s θ x' = 4cosθ x′=4cosθ
y ′ = ( 5 + 4 s i n θ ) c o s θ y' = (5 + 4sinθ)cosθ y′=(5+4sinθ)cosθ
z ′ = ( 5 + 4 s i n θ ) s i n θ z' = (5 + 4sinθ)sinθ z′=(5+4sinθ)sinθ
这样,我们就得到了旋转体(圆柱体)的参数方程:
x ′ = 4 c o s θ x' = 4cosθ x′=4cosθ
y ′ = ( 5 + 4 s i n θ ) c o s θ y' = (5 + 4sinθ)cosθ y′=(5+4sinθ)cosθ
z ′ = ( 5 + 4 s i n θ ) s i n θ z' = (5 + 4sinθ)sinθ z′=(5+4sinθ)sinθ
这个参数方程描述了绕x轴旋转一周后的曲面的形状。
alpha = [0:0.1:2*pi]‘;beta = 0:0.1:2*pi;
x = 4*cos(alpha)*ones(size(beta));
y = (5 + 4*sin(alpha))*cos(beta);
z = (5 + 4*sin(alpha)) * sin(beta);
surf(x,y,z)
计算内容主要还是套各种公式,以前的知识点还是需要补一下的。
以上过程均来自AI,此内容仅作本人学习记录使用。