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用Desmos绘制极坐标函数的图像

时间:2024-10-22 11:15:35

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。

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工具/原料

电脑

Desmos网页版

智能手机

Desmos(apk软件)

玫瑰线

1、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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2、考虑一般情形r=sin(aθ),当a取不同的值的时候,会是什献垴淄睬么情形呢?让我们来看下面的动画效果:r=\sin(a\theta)和r=\c泠贾高框os(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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3、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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4、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。

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更多著名曲线

1、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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2、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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3、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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4、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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5、伯努利双扭线的出图过程。极坐标方程是:r^2=sin(闸拊福律2θ)和r^2=cos(2θ)瞽攥涛徭但是,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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6、未命名曲线。r=2sin(θ)+4cos(2θ)它的绘兔脒巛钒图过程如下:r=2\sin\left(\theta\right)+4\cos\left(2\theta\right)概嗤先眚\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。

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无数可能

1、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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2、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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3、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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4、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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5、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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6、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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7、如果不止三项,而是更多项呢?四项余弦之和:r=\cos咯悝滩镞\left(a\theta\right)+\cos\left(b\theta\right像粜杵泳)+\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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8、如果θ替换为θ的其它函数形式,如θ的多项式、θ的多重正弦余弦希巫府浆嵌套等等,各种可能实在是太多了,无穷无尽。举个简单的例子:r=\sin\left烫喇霰嘴(\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。

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