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參數方程
來源:互聯網

參數方程和函數很相似:它們都是由一些在指定的集的數,稱為參數或自變量,以決定因變量的結果。例如在運動學,參數通常是“時間”,而方程的結果是速度、位置等。

定義

一般地,在平面直角坐標系中,如果曲線上任意一點的坐標x、y都是某個變數t的函數:

,并且對于t的每一個允許的取值,由方程組確定的點(x, y)都在這條曲線上,那么這個方程就叫做曲線的參數方程,聯系變數x、y的變數t叫做參變數,簡稱參數。相對而言,直接給出點坐標間關系的方程叫普通方程。

例子

曲線的極坐標參數方程ρ=f(t),θ=g(t)。

圓的參數方程 x=a+r cosθ y=b+r sinθ(θ∈ [0,2π) ) (a,b) 為圓心坐標,r 為圓半徑,θ 為參數,(x,y) 為經過點的坐標

橢圓的參數方程 x=a cosθ  y=b sinθ(θ∈[0,2π)) a為長半軸長 b為短半軸長 θ為參數

雙曲線的參數方程 x=a secθ (正割) y=b tanθ a為實半軸長 b為虛半軸長 θ為參數

拋物線的參數方程 x=p表示焦點到準線的距離 t為參數

直線的參數方程 x=x'+tcosa y=y'+tsina,x',y'和a表示直線經過(x',y'),且傾斜角為a,t為參數

或者x=x'+ut, y=y'+vt (t∈R)x',y'直線經過定點(x',y'),u,v表示直線的方向向量d=(u,v)

圓的漸開線x=r(cosφ+φsinφ) y=r(sinφ-φcosφ)(φ∈[0,2π)) r為基圓的半徑 φ為參數

平擺線參數方程 x=r(θ-sinθ) y=r(1-cosθ)r為圓的半徑,θ是圓的半徑所經過的角度(滾動角),當θ由0變到2π時,動點就畫出了擺線的一支,稱為一拱。

應用

柯西中值定理的證明中,也運用到了參數方程。

柯西中值定理

如果函數f(x)及F(x)滿足:

⑴在閉區間[a,b]上連續;

⑵在開區間(a,b)內可導;

⑶對任一x∈(a,b),F'(x)≠0。

那么在(a,b)內至少有一點ζ,使等式

成立。

奧古斯丁-路易·柯西簡潔而嚴格地證明了微積分學基本定理艾薩克·牛頓萊布尼茨公式。他利用定積分嚴格證明了帶余項的泰勒公式,還用導數與積分中值定理表示曲邊梯形的面積,推導了平面曲線之間圖形的面積、曲面面積和立體體積的公式。

參數曲線亦可以是多于一個參數的函數。例如參數表面是兩個參數(s,t)或(u,v)的函數。

譬如一個圓柱:

r(u,v)=[x(u,v),y(u,v),z(u,v)]=[acos(u),asin(u),v]

參數是參變數的簡稱。它是研究運動等一類問題中產生的。質點運動時,它的位置必然與時間有關系,也就是說,質點的坐標x,y與時間t之間有函數關系x=f(t),y=g(t),這兩個函數式中的變量t,相對于表示質點的幾何位置的變量x,y來說,就是一個“參與的變量”。這類實際問題中的參變量,被抽象到數學中,就成了參數。我們所學的參數方程中的參數,其任務在于溝通變量x,y及一些常量之間的聯系,為研究曲線的形狀和性質提供方便。

用參數方程描述運動規律時,常常比用普通方程更為直接簡便。對于解決求最大射程、最大高度、飛行時間或軌跡等一系列問題都比較理想。有些重要但較復雜的曲線(例如圓的漸開線),建立它們的普通方程比較困難,甚至不可能,列出的方程既復雜又不易理解,如圓的漸開線的普通方程。

根據方程畫出曲線十分費時;而利用參數方程把兩個變量x,y間接地聯系起來,常常比較容易,方程簡單明確,且畫圖也不太困難。

常見參數方程

過(h, k),斜率為m的直線:

圓:

橢圓:

雙曲線

拋物線

螺線

擺線

注:上文中的a, b, c, h, k, l, m, p, r為已知數,t都為參數, x, y為變量

參考資料 >

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