浅谈对数螺旋线

1浅谈对数螺旋线浅谈对数螺旋线浅谈对数螺旋线浅谈对数螺旋线（（（（logarithmiclogarithmiclogarithmiclogarithmicspiralspiralspiralspiral））））摘要摘要摘要摘要：我们常常可以在自然界中发现螺旋扩大的图形，比如：蜘蛛织的网、向日葵的花盘、鹦鹉螺外部切面等等。这种图形叫做对数螺旋线。本文，将从数学的视角，探讨对数螺旋线的来源、历史上数学家们对它的研究、如何建立模型、这种模型的性质和它在工业、农业、建筑业等方面的应用。Weoftencanfindexpandingspiralgraphicsinnature,suchas:spiderweavinganetwork,sunflowerchrysanthemum,Nautilusexternalaspectandsoon.Thisgraphiscalledthelogarithmicspiral.Thisarticle,fromtheperspectiveofmathematicstoexplorethesourceoflogarithmicspiral,mathematiciansinthehistorywhostudiedit,howtobuildmodels,thenatureofthemodelsandtheapplicationitisinindustry,agriculture,construction,etc.作者作者作者作者：陈红（200911233021）陈虹邑（200911233012）殷怡（200911233008）关键词关键词关键词关键词：对数螺旋线、应用、蜗牛壳、对数螺旋线叶片二、螺旋线的来源二、螺旋线的来源二、螺旋线的来源二、螺旋线的来源1、在自然界中的踪影、在自然界中的踪影、在自然界中的踪影、在自然界中的踪影在自然界中对数螺旋线非常普遍，向日葵花盘上瘦果的对数螺旋线的弧形排列，这样就可以使果实排得最紧、数量最多、产生后代的效率也最高。当我们观察着园蛛，我们会发现它的网并不是杂乱无章的，那些辐排得很均匀，每对相邻的辐所交成的角都是相等的；蜘蛛在织网时，首先要在两地之间架“天索”，把丝固定在一定的地方，并在固定的丝上来回走几趟，使丝加粗。然后在“天索”上设置对角线，再在对角线的2中央织一个白点，这是将来网的中心。以后往返于中心和圆周之间织许多呈辐射状的半径线。接着自圆心向外作第一螺旋线，再自外向里织粘性强的第二螺旋线。织好第二螺旋线后，将第一螺旋线及其部分射线吃掉，并继续自外向里作螺旋线。愈近中心，每圈间的距离也愈密，直到不可辨认的地步。这正符合数学上的对数螺线的情况。蜘蛛的确不愧是“数学家”、“织网家”。车前草的叶片是轮生的，叶片间的夹角为137°30′，这是圆的黄金分割的张角。按照这一角度排列的叶片，能很好地镶嵌而又互不重叠，这是采光面积最大的排列方式，有效地提高了植株光合作用的效率。植物叶子在茎上的排列，一般都是螺旋状。鹦鹉螺外壳切面呈现优美的等角螺线，而等角螺线本身又与黄金分割有着密不可分的关系，这使鹦鹉螺在亮丽的外表之外又增加了许多大自然的神秘色彩。有一些特殊的运动所产生的轨迹也是螺旋线。一只蚂蚁以不变的速率，在一个均匀旋转的唱片中心沿半径向外爬行，结果蚂蚁本身就描绘出一条螺旋线。蝙蝠从高处往下飞，是按空间螺旋线——锥形螺旋线的路径飞行的。星体的运行轨迹有的也是螺旋线。日本国家天文台的中井直政博士，在对银河系中部的气体密度进行了为期3年的观察研究后认为，银河系是呈螺旋状的，即星体以圆心呈螺旋状向外扩。象鼻、动物的角、毛都呈对数螺旋线；菊的种子排列成等角螺旋；鹰以等角螺旋的方式接近光源；漩涡星系的悬臂差不多是等角螺旋，银河系的四大旋臂的倾斜度为12°；低气压（热带气旋、温带气旋）的外观像等角螺旋。2、著名数学家对对数螺旋线的研究、著名数学家对对数螺旋线的研究、著名数学家对对数螺旋线的研究、著名数学家对对数螺旋线的研究螺旋线这个名词来源于希腊文，它的原意是“旋卷”或“缠卷”。例如，平面螺旋便是以一个固定点开始向外逐圈旋绕而形成的曲线。在2000多年以前，古希腊数学家阿基米德就对螺旋线进行了研究。著名数学家笛卡尔于1683年首先描述了对数螺旋线，并且列出了螺旋线的解析式。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。他痴心于研究对数螺线，发现将等角螺线作某些变换时，所得的曲3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；求等角螺线的渐屈线；求等角螺线反演曲线；求等角螺线的焦线；将等角螺线以其极点为中心作伸缩变换，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，他惊叹这种曲线的神奇，竟在遗嘱里要求后人将对数螺线刻在自己的墓碑上，并附以颂词“纵然变化，依然故我”，用以象征死后永生不朽，并幽默地写上“我将按着原来的样子变化后复活”的墓志铭。三、数学模型三、数学模型三、数学模型三、数学模型1、螺旋蜗牛壳、螺旋蜗牛壳、螺旋蜗牛壳、螺旋蜗牛壳有一种蜗牛的壳就是依照对数螺线构造的。世界上第一只蜗牛知道了对数螺线，然后用它来造壳，一直到现在，壳的样子还没变过。在壳类的化石中，这种螺线的例子还有很多。现在，在南海，我们还可以找到一种太古时代的生物的后代，那就是鹦鹉螺。它们还是很坚贞地守着祖传的老法则，它们的壳和世界初始时它们的老祖宗的壳完全一样。也就是说，它们的壳仍然是依照对数螺线设计的。并没有因时间的流逝而改变，就是在我们的死水池里，也有一种螺，它也有一个螺线壳，普通的蜗牛壳也是属于这一构造。从图片中蜗牛壳的形状看，我们可以从中抽象出一个平面图形，类似于上述乌龟爬行路线的曲线，这个图形并不随着蜗牛躯体的大小而变化，始终如一地保持着这个平面图形：4图1图2把图1中蜗牛壳每一个轮廓抽象出来，忽略掉轮廓线以外的蜗牛壳图案，我们可以得到图2这样的曲线。它有顺时针方向和逆时针方向螺旋线两种类型。（在选择顺时针方向螺旋线或逆时针方向螺旋线时，经验告诉我们，逆时针方向螺旋线的准确性较大）图3逆时针螺旋线2、乌龟爬行、乌龟爬行、乌龟爬行、乌龟爬行一个为人们所熟知的行进路线问题是四个乌龟的问题。它涉及到对数螺旋线，下面我们将以“乌龟爬行”的小故事引出它的数学模型。汤姆·皮莎训练了四个小海龟：阿娜、玻瑟、查尔斯、蒂里拉，把它们依次编号为甲、乙、丙、丁。一天，他把四个小海龟放在一间屋子的四个角落里，让甲始终朝着乙所在的位置前进，让乙始终朝着丙所在的位置前进，同理，丙朝着丁、丁朝着甲的方向走。皮莎先生高兴地说，“每个海龟都以同样的速度径直向它前面的海龟爬去，那么，每一时刻它们四个都处在某个正方形的角上。”(如图4和图5所示)5图6假设四只乌龟在某一时刻的位置分别为A1、B1、C1、D1（见图6），则根据四只乌龟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点的甲乌龟系冲向在B1点的乙乌龟，所以，甲乌龟在此一时刻的速度方向在向量上。或者说，甲乌龟所跑的路径在A1点的切线与直线OA1形成45°的夹角。同理，乙乌龟所跑的路径在B1点的切线与直线OB1形成45°的夹角相等。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，每只乌龟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），而其极图4444图56点是正方形的中心O。3、对数螺旋线方程、对数螺旋线方程、对数螺旋线方程、对数螺旋线方程对数螺旋线又称等角螺旋线。若一条曲线在每个点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，则此曲线称为一条等角螺线，O点称为它的极点。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只乌龟追逐问题中，若中心O是极点而点A的极坐标为，则甲、乙、丙、丁四只乌龟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(logarithmic7spiral)。四、模型的性质四、模型的性质四、模型的性质四、模型的性质1、相似性质、相似性质、相似性质、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7是等角螺线的一部分。图8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,,,…构成一个等比数图78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。对数螺旋线是常见形状中一种非常特殊的几何形状，从严格的数学观点看一个螺旋在平面上是一个曲线,其极半径为其极角的递增或递减函数.它具有特殊的性质,如以恒定角度与半径相交,这个角度与其连续方根相符。这意味着它尽管是增量曲线,但增量遵守着不变法则.可以把它看作是一个翻转的在两端无限延伸的圆锥的投影,这个数学描述非常重要。9对数螺旋线在科学领域是很著名的。对数螺线是一根无止尽的螺线，它永远向着极绕，越绕越靠近极，但又永远不能到达极。即使用最精密的仪器，我们也看不到一根完全的对数螺线。这种图形只存在科学家的假想中，可令人惊讶的是小小的蜘蛛也知道这线，它就是依照这种曲线的法则来绕它网上的螺线的，而且做得很精确。这螺旋线还有一个特点。如果你用一根有弹性的线绕成一个对数螺线的图形，再把这根线放开来，然后拉紧放开的那部分，那么线的运动的一端就会划成一个和原来的对数螺线完全相似的螺线，只是变换了一下位置。这个定理是一位名叫杰克斯．勃诺利的数学教授发现的，他死后，后人把这条定理刻在他的墓碑上，算是他一生中最为光荣的事迹之一。五、应用五、应用五、应用五、应用大家可别小看了对数螺线:在工业生产中，把抽水机的涡轮叶片的曲面作成对数；螺线的形状，抽水就均匀；在农业生产中，把轧刀的刀口弯曲成对数螺线的形状，它就会按特定的角度来切割草料，又快又好。建筑师们参照车前草叶片排列的这一原理，设计出现代化螺旋式的高楼，可以使高楼的每个房间都很明亮，达到较佳的采光效果。螺旋线被广泛应用于各个方面，如机械上的螺杆、螺帽、螺钉和日常用品的螺丝扣等。枪膛中的膛线也是螺旋线，就连一些楼梯也是螺旋状的。被称为“世界七大奇观”之一的意大利比萨斜塔的楼梯，便是294阶的螺旋线。美国加州设计师还向车前草借鉴了采光原理，设计了一幢13层的螺旋