等角螺线及其它——赵文敏

中数网——第1页共15页等角螺线及其它赵文敏何谓等角螺线等角螺线的方程式趣史一则等角螺线上的相似性质黄金分割与等角螺线等角螺线的弧长等角螺线的再生性质其它螺线举例几何学是一门源远流长的数学分支，在十七世纪以前，几何学一词甚至可说是数学的同义词，它以往的风光可想而知。曾几何时，因为某些内在与外在的因素，几何学的地位似乎已逐渐没落；在中小学的数学教材里，几何题材一次又一次地被删除。这种现象使我们感到忧心，因为自然环境中隐藏着许多几何原理，不了解这些几何知识，不就表示我们对所生存的空间已经愈来愈不了解了吗？笔者从事数学教育工作多年，又是现行高中数学教科书的编者之一，对当前高中数学教材中几何题材的过度贫乏，实在感到忧心忡忡。在无力对教科书作大幅度修改的情况下，只好在正式教科书之外从事一些修缮工作。基于上述想法，笔者希望能以一系列的文章来介绍一些几何题材。在内容方面，笔者首先选上曲线。因为曲线的讨论不仅是几何学中最有趣的题材之一，而且许多曲线都会在自然现象中出现，它们的性质也往往能提供重要的应用。例如：天文望远镜的设计，不就是根据拋物线的反射性质吗？本文介绍等角螺线。何谓等角螺线在一片空旷的草地上，甲、乙、丙、丁、四只狗分别站立在一个正方形的四个顶点A、B、C、D上。狗主人要甲狗紧盯着乙狗、乙狗紧盯着丙狗、丙狗紧盯着丁狗、丁狗紧盯着甲狗。一声令下，四只狗以相同的速度同时冲向目标。假定每只狗在每个时刻都是正面朝向它的目标，那么，这四只狗所跑过的路径是什么形式呢？中数网——第2页共15页假设四只狗在某一时刻的位置分别为A1、B1、C1、D1（见图一），则根据四只狗的行动一致所产生的对称性，可知也是正方形，而且它的中心也就是正方形的中心O。更进一步地，由于在A1点的甲狗系冲向在B1点的乙狗，所以，甲狗在此一时刻的速度方向在向量上。或者说，甲狗所跑的路径在A1点的切线与直线OA1形成45°的夹角。同理，图一乙狗所跑的路径在B1点的切线与直线OB1形成45°的夹角等等。一般而言，若一曲线在每个点P的切向量都与某定点O至此点P所成的向量夹成一定角，且定角不是直角，则此曲线称为一等角螺线(equiangularspiral)，O点称为它的极点(pole)。前面所提的四狗追逐问题中，每只狗所经过的路线都是一等角螺线的一部分，此等角螺线中的定角是（或，因为切向量可选成相反方向），而其极点是正方形的中心O。等角螺线的方程式中数网——第3页共15页在坐标平面上，若极坐标方程式表示一等角螺线（），其极点是原点O，定角为α()，则因在点的切向量为所以，可得即由此可得下述结果：换言之，此等角螺线的极坐标方程式为在前面所提的四狗追逐问题中，若中心O是极点而点A的极坐标为，则甲、乙、丙、丁四只狗所跑的路径分别在下述四等角螺线上：,,,前面所提的，就是等角螺线的极坐标方程式。由于在导出此方程式的过程中曾经引用了自然对数，所以，等角螺线也称为对数螺线(logarithmicspiral)。中数网——第4页共15页趣史一则等角螺线的性质，笛卡儿（R.Descartes,1596～1650）在1638年就已经考虑过，但没有获得特殊结果。托里拆利（E.Torricelli,1608～1647年）却在1645年发现有关等角螺线弧长的一项性质，这项性质在下文中将会介绍。对于等角螺线的探讨，以伯努利（J.Bernoulli,1654～1705年）的成果最为丰硕。他发现将等角螺线作某些变换时，所得的曲线仍是全等的等角螺线。这些变换包括：求等角螺线的垂足曲线(pedalcurve)；求等角螺线的渐屈线(evolute)；求等角螺线反演曲线(inversivecurve)；求等角螺线的焦线(causticcurve)；将等角螺线以其极点为中心作伸缩变换(dilation)，由于这些变换都可以使等角螺线再生，这个现象使伯努利大为欣慰，所以，临殁遗言要将等角螺线的这些性质刻在他墓碑上，同时题上一句话：「Eademmutataresurgo」（虽然某些状况改变了，我却保持不变）。这是继阿基米德（纪元前三世纪）之后，另一位在墓碑上表现其成果的数学家。等角螺线上的相似性质根据等角螺线的方程式，可以看出：对每个θ值，都有一个对应的r值；而且不同的θ值所对应的r值也不同（因为）。这种现象表示：从等角螺线上某个点出发，随着θ值的无限制增大与无限制减小，此曲线会环绕它的极点形成无数多圈，一面是愈绕愈远，一面是愈绕愈聚集在极点附近。若，则当时，曲线聚集在极点附近。若，则当时，曲线愈绕越远。图二是等角螺线的一部分。中数网——第5页共15页图二图三若辐角,,,…构成一个等差数列，则由指数的性质，对应的向径，，，…就构成等比数列。若令Pn表示极坐标的点，则上述结果表示,,,…构成一个等比数列。又因，所以可知与相似。由此可知：构成一个等比数列。若上述等差数列,,,…的公差是，P1,P2,P3,…等乃是过极点的一射线与等角螺线的交点。可见：过极点作任意射线，则此射线与等角螺线的交点必以等比数列的形式排列在射线上。对于一般的几何图形，若我们选定某个点做为伸缩中心将图形放大或缩小，则可得到一个相似的图形，在等角螺线的情形中，若伸缩中心是它的极点，则不论放大或缩小多少倍，所得的不只是相似图形而已，它是与原等角螺线全等的一个等中数网——第6页共15页角螺线。为什么呢？若以极点为伸缩中心将等角螺线伸缩m倍，则所得的图形是等角螺线。因为，所以可找到一个实数使得。于是伸缩后的图形为，这个图形其实就是等角螺线绕极点顺时针旋转角所得，它自然与原等角螺线全等。根据前段的说明，我们可以了解：等角螺线上的一段弧经伸缩若干倍后，必与该等角螺线上的另一弧全等。事实上，若等角螺线经伸缩成，则在等角螺线，辐角θ满足的弧，经伸缩后必与该等角螺线上辐角θ满足的弧全等。等角螺线的这项特性，使得自然界中许多物体都呈现等角螺线的形状。例如：许多贝壳都很接近等角螺线的形状，因为生活在壳内的动物在成长过程中都是均匀地长大，这就像相似地放大，所以，新生的部分所栖息的空间必与原有空间形状相似。象鼻、动物的角与毛等都呈等角螺线形。在植物中，向日葵、菠萝与雏菊上的螺旋纹也都呈等角螺线形。图四是鹦鹉螺的横截面，这么美的线条，令人不得不佩服造物之奇。图四黄金分割与等角螺线环绕某个定点而相似地缩小，这是等角螺线在其极点附近呈现的形状。假如我们将多边形环绕一定点而相似地缩小，是不是会与等角螺线生关联呢？中数网——第7页共15页图五在图五中，、、、、、…等是一系列的矩形，这些矩形中每两个都相似（亦即：边的比值相等），而且后一矩形都是由其前面的矩形挖掉一个正方形而得的。如：是由挖掉正方形而得的。此时，上列矩形的第一个顶点A、C、E、G、I、K…等会落在一等角螺线上，此等角螺线的极点是、、、等共交的点O。若以O为极点，射线为极轴，且A的极坐标为，则此等角螺线的极坐标方程式为其中。此等角螺线通常称为黄金螺线。为什么会扯上呢？原来这个数就是上述相似矩形的长边与短边的长度之比。因为由与可得中数网——第8页共15页若线段上的一点C满足，则称C点将黄金分割。当C点将黄金分割时，（或）的值是，此数称为黄金分割比。若一矩形的长边与短边的比值为，则此矩形称为黄金矩形。由黄金矩形可引出等角螺线，将矩形改成三角形，也会有同样的结果吗？在图六中、、、、、、……等是一系列的等腰三角形，这些等腰三角形中每两个都相似，而且后一等腰三角形，都规定是由其前面的等腰三角形挖掉一个等腰三角形而得的。例如：是由挖掉等腰三角形而得的。图六中数网——第9页共15页此时，上列等腰三角形的顶点A、B、C、D、E、F、G、H、……等会落在一等角螺线上，此等角螺线的极点是与的交点O。若以O为极点、射线为极轴、且A的极坐标为，则此等角螺线的极坐标方程式为其。此等角螺线也称为黄金螺线。此等角螺线也扯上，其理由如下：上述的相似等腰三角形ABC等，可证明其顶角为36°，而底角为72°，所以，。此种三角形称为黄金三角形。等角螺线的弧长假定我们想计算等角螺线上，辐角θ满足那段弧的长，利用前面所提的相似性质，我们可将区间等分成n等分，设每一等分的长为h，即。又令Pi表示极坐标()的点，i=0,1,2,…,n，先考虑所得折线的长++…+。若这个和在（或）时的极限存在，则其极限值就是所欲求的弧长。上述的折线长怎么计算呢？因为与相似，所以==由此可得中数网——第10页共15页另一方面，利用余弦定律可求得再根据微积分中的L'Hospital法则，可得由此可得由此可知：在等角螺线上，辐角θ满足那段弧的长为：此值等于该弧的两端点向径之差与的乘积。在的情形中，因为当时，可得，所以，极点可以看成是等角螺线的一个终极位置。我们也因此可以问：由点绕回极点O的长度为多少？这段弧是辐角θ满足所对应的部中数网——第11页共15页分，它的长度可以分别考虑θ满足、、…等部分的弧长，然后相加而得。因此，由至O的弧长等于前面所得的结果，可以做一项有趣的几何解释：过O作一直线与垂直，因为过P的切线与不垂直，所以，上述垂直线与切线交于一点T。由于，于是，可得。换言之，由P点绕回O点的弧长与的长相等，这就是托里拆利所发现的性质（见图七）。图七前段所提的性质，还可作如下的解释：设想等角螺线在直线PT上作不滑的滚动，则极点O最后会移动到T，而且在滚动过程中，O点的运动路径就是。中数网——第12页共15页等角螺线的再生性质垂足曲线设C为一曲线而O为一定点，自O向C的所有切线作垂直线，则所有垂足所成的图形称为曲线C对定点O的垂足曲线。若C是等角螺线，则C对其极点的垂足曲线是一个全等的等角螺线，为什么呢？在图七中，若是在切线PT上的垂足，则，而是P的辐角（设）。因此，可得换言之，所有H点构成等角螺线。焦线设C为一曲线而O为一定点，将过O的所有直线都对曲线C作反射，若反射所得的所有直线都是某曲线的切线，则此曲线称为曲线C对定点O的焦线。若C是等角螺线，则C对其极点的焦线是一个全等的等角螺线，我们说明如下。设P是等角螺线C上一点，是极点O对于过P之法线的对称点，则直线OP对等角螺线C反射，所得的直线就是直线PR（见图七）。显然，，而且是点P的辐角（设）。因此，可得换言之，所有R点构成等角螺线。因为此等角螺线过R点的中数网——第13页共15页切线与直线OR的夹角等于α，而直线PR正具有这项性质。也就是说，直线PR就是此等角螺线在R点的切线。因此，此等角螺线就是原等角螺线对极点O的焦线。渐屈线设C为一曲线，作C的所有法线，若所有法线都是某曲线的切线，则此曲线称为曲线C的渐屈线。若C是等角螺线，则C的渐屈线是一个全等的等角螺线，我们说明如下。设P是等角螺线C上一点，在过P的法线上而且（见图七）。显然，，而且是点P的辐角（设）。因此，可得换言之，所有N点构成等角螺线。因为此等角螺线过N点的切线与直线ON的夹角等于α，而法线PN正具有这项性质。也就是说，法线PN就是此等角螺线在N点的切线。因此，此等角螺线就是的渐屈线。曲线C的渐屈线也可定义为「曲线C的每个点的曲率中心所成的图形」。在图七中，该等角螺线在P点的曲率中心就是N、曲率半径就是（）。习题：试证图七中的所有T点所成的图形仍是一个全等的等角螺线，称为原等角螺线的渐伸线(involute)。其它螺线举例中数网——