用Python作一条已知曲线的等距曲线

news2025/1/23 1:27:44

参考资料:

该如何作一条已知曲线的等距曲线? - 知乎

等距线_百度百科


目录

1.等距线

2.数学推导 

3.示例

4.代码与结果


 1.等距线

等距线(equidistant line)亦称平行曲线,一种平面曲线,即由一已知曲线所产生的另一曲线。平行曲线如下图。

2.数学推导

2.1 核心思想: 

从原曲线法线方向偏移所需的距离,就可以得到这些平行曲线

2.2数学推导

对于参数曲线r(t),其切线速度就是其第一导数:

v(t)=r'(t)

归一化后得单位切线矢量:

T(t)=(T_{x}(t),T_{y}(t))=\frac{v(t)}{\left | v(t) \right |}

在二维中,垂直于切线的单位法矢量只需旋转切线90度,可以得到垂直于切线的单位法矢量为

N(t)=(-T_{y}(t),T_{x}(t))

那么,设偏移距离为a,r(t)的两条平行曲线为

s(t)=r(t)\pm aN(t)

3.示例

本文以y=4x^{3}+3x^{2}+2x+1为例,将该方程转为参数方程,得s(t)为,

s(t)=\left\{\begin{matrix}t \\ 4t^{3}+3t^{2}+2t+1 \end{matrix}\right.

对s(t)求导得v(t),

v(t)=\left\{\begin{matrix}1 \\ 12t^{2}+6t+2 \end{matrix}\right.

归一化后得单位切线矢量T(t),

T(t)=\left\{\begin{matrix}\frac{1}{\sqrt{1+(12t^{2}+6t+2)^{2}}} \\ \frac{12t^{2}+6t+2}{\sqrt{1+(12t^{2}+6t+2)^{2}}} \end{matrix}\right.

将T(t)旋转90度得到N(t),

N(t)=\left\{\begin{matrix}-1*\frac{12t^{2}+6t+2}{\sqrt{1+(12t^{2}+6t+2)^{2}}} \\ \frac{1}{\sqrt{1+(12t^{2}+6t+2)^{2}}} \end{matrix}\right.

于是平移距离为a的曲线为,

S(t)=r(t)\pm aN(t)

4.代码与结果

 PS:注意横、纵坐标尺度不一致,想看更明显的效果可以试验一下y=x^2

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

t = np.linspace(-5,5,40)
x1 = t
y1 = 4*t**3 + 3*t**2 + 2*t + 1

x2 = t + 3*-1*(12*t**2+6*t+2)/np.sqrt(1+(12*t**2+6*t+2)**2)
y2 = 4*t**3 + 3*t**2 + 2*t + 1 + 3*1/np.sqrt(1+(12*t**2+6*t+2)**2)

x3 = t - 3*-1*(12*t**2+6*t+2)/np.sqrt(1+(12*t**2+6*t+2)**2)
y3 = 4*t**3 + 3*t**2 + 2*t + 1 - 3*1/np.sqrt(1+(12*t**2+6*t+2)**2)

plt.plot(x1,y1)
plt.plot(x2,y2)
plt.plot(x3,y3)

 

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