超椭圆
超椭圆
超椭圆(superellipse),也称为Lamé曲线或拉梅曲线,是一种在勒内·笛卡尔坐标系下的封闭曲线,具有椭圆的长轴、短轴和对称性特点。当参数n的值不同,超椭圆的形状会有显著变化,从星形到圆形再到带圆角的长方形。特别地,n为4时的超椭圆被称为方圆形。
介绍
超椭圆(superellipse)也称为Lamé曲线,是在笛卡儿坐标系下满足以下方程式的点的集合:
$$|{\frac {x}{a}}|^{n} + |{\frac {y}{b}}|^{n} = 1$$
其中n、a及b为正数。参数a及b称为曲线的半直径(semi-diameters),而n决定了曲线的形状。当n在0和1之间时,超椭圆的图形类似一个曲线的四角星,四边的曲线往内凹。n为1时,超椭圆的图形为一菱形,四个顶点为(±a, 0)及(0, ±b)。n在1和2之间时,超椭圆的图形类似菱形,但四边是往外凸的曲线。n为2时,超椭圆的图形即为椭圆,若a = b时则为一个圆形。当n大于2时,超椭圆的图形看似四角有圆角的长方形,曲线的曲率在(±a, 0)及(0, ±b)四点为0。n \u003c 2的超椭圆也称为次椭圆(hypoellipse),n \u003e 2的超椭圆则称为过椭圆(hyperellipse)。当n ≥ 1,且a = b=1时的超椭圆是二维Lp空间下的单位圆,n即为其p-范数
超椭圆的极点为(±a, 0)及(0, ±b),而其四个“角”为(±sa, ±sb),其中 $=2^{-{\frac {1}{n}}}$
数学性质
超椭圆是一种平面代数曲线,当n为一个非零的有理数p/q(最简分数形式)时,若n为正数,其曲线次数为pq,若n为负数,其曲线次数为2pq。若a和b均为1且n为偶数,则此超椭圆为一n次的费马曲线,此时超椭圆没有奇点,但一般而言超椭圆中会有奇点存在。
历史
超椭圆在勒内·笛卡尔坐标系下的表示式是由1795年出生的法国数学家拉梅,由椭圆的方程式扩展而得。字体设计师赫尔曼·察普夫在1952年设计的Melior字体,利用超椭圆作为字母o的外形。三十年后高德纳设法选择了介于椭圆及超椭圆之间的曲线(两者都用样条函数近似),作为他的计算机 Modern字体。
1959年时斯德哥尔摩提出了其市中心赛格尔广场圆环的设计竞赛。丹麦诗人皮亚特·海恩(1905–1996)的设计以是一个n = 2.5,a/b = 6/5的超椭圆为基础。他的说明强调了超椭圆在直线与圆弧之间的平衡,提出超椭圆是介于圆和长方形之间的理想形状。赛格尔广场在1967年完成,而皮亚特·海恩继续在其他的艺术品中使用超椭圆,包括床、碟子、桌子等。他将超椭圆以长轴为轴心旋转,形成了一个立体的超级蛋,其特点是可以平面上直立,不会倒下,因此变成一个特别的玩具。
1968年在巴黎为越南战争谈判时,谈判者不满意谈判桌的外形,Balinski、Kieron Underwood及Holt在一封寄给纽约时报的信件中建议以超椭圆作为谈判桌的外形。同年,墨西哥城主办的奥运会也以超椭圆为阿兹特克体育场的外形。沃尔多·托布勒在1973年提出了托布勒超椭圆投影,其中的经线就是用超椭圆来表示。美式橄榄球世界杯球队匹兹堡钢人的标志是三个相连的超椭圆。
参考资料
目录
概述
介绍
数学性质
历史
参考资料