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细致了解四焦点曲线

四焦点曲线,比三焦点的情形要复杂一些,下面就用Desmos来了解一下这类曲线。        顺便说一下,原来,Desmos也可以“复制”+“粘帖”,方法是,选中方程式,“Ctrl+C”——复制,“Ctrl+V”——粘帖。
工具/原料
1

电脑

2

Desmos网页版

方法/步骤
1

先来画一个四焦点曲线:\sqrt{\left(x-1\right)^2+\left(y-1\right)^2}+\sqrt{x^2+y^2}+\sqrt{x^2+\left(y-1\right)^2}+\sqrt{\left(x-1\right)^2+y^2}=3        把上面的式子复制粘帖到Desmos里面即可。

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再来制造一个互动效果:\sqrt{\left(x-a\right)^2+\left(y-b\right)^2}+\sqrt{\left(x-c\right)^2+\left(y-d\right)^2}+\sqrt{\left(x-a_1\right)^2+\left(y-a_2\right)^2}+\sqrt{\left(x-b_1\right)^2+\left(y-b_2\right)^2}=a_3        点击“全部”按钮,此时所有的点都重合了,试着拖动动点,看看会是什么图形!

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试试a_3取不同的值,图形出现在同一个图里是怎么样的。

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对于四焦点曲线,这里有三个基本问题。        第一个基本问题:到四个点(a1,a2)、(b1,b2)、(c1,c2)、(d1,d2)的距离之和的最小值是多少?当取得最小点时,它的图像是什么?是一个点,还是一条曲线?怎么求出这个最小值的具体值?

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第二个基本问题:(所有焦点全在曲线上)        当这四个点都位于以它们为焦点的四焦点曲线上时,四个点是否必定能连成一个矩形?换言之,给定平面上四个点A、B、C、D,如果AB+AC+AD=BC+BD+BA=CD+CA+CB=DA+DB+DC,那么ABCD是否一定是个矩形?!

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第三个基本问题:是否可以说,所有的四焦点曲线都是凸曲线?        通过平凡的绘图,几乎可以肯定地说,所有的四焦点曲线都是凸曲线!但没有确切的理论证明。下面是我认为有可能成功的一个方法,苦于计算量过大而没能够实施!        据说,若平面上的简单闭曲线是凸曲线,那么它的任意点的相对曲率都不变号,就是恒大于等于0,或恒小于等于0。

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下面来一个动画效果:        第一行输入:\sqrt{\left(x-\cos \left(a\right)\right)^2+\left(y-\sin \left(a\right)\right)^2}+\sqrt{\left(x-2\cos \left(b\right)\right)^2+\left(y-2\sin \left(b\right)\right)^2}+\sqrt{\left(x-\sqrt{2}\cos \left(c\right)\right)^2+\left(y-\sqrt{2}\sin \left(c\right)\right)^2}+\sqrt{\left(x-\frac{\cos \left(d\right)}{2}\right)^2+\left(y-\frac{\sin \left(d\right)}{2}\right)^2}=5        第二行:\left(\cos \left(a\right),\sin \left(a\right)\right)        第三行:\left(2\cos \left(b\right),2\sin \left(b\right)\right)        第四行:\left(\sqrt{2}\cos \left(c\right),\sqrt{2}\sin \left(c\right)\right)        第五行:\left(\frac{\cos \left(d\right)}{2},\frac{\sin \left(d\right)}{2}\right)        然后点击“全部”,把a、b、c、d全部变成——滑块。

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用Mathematica画出3D图,把等号右边的a_3视为第三个维度z,看看最底下是什么模样,大概就能知道“当取得最小点时,它的图像是什么?是一个点,还是一条曲线?”        简单的代码:ContourPlot3D[ Sqrt[(x - 1)^2 + (y - 1)^2] + Sqrt[(x - 1)^2 + (y - 0)^2] +    Sqrt[(x - 2)^2 + (y - 1)^2] + Sqrt[(x - 1)^2 + (y - 2)^2] == z, {x,   0, 4}, {y, -1, 3}, {z, 1, 5}]

注意事项
1

Desmos的复制粘帖,用快捷键——“Ctrl+C”、“Ctrl+V”。记住,不能直接用鼠标来复制和粘贴,Desmos好像不支持。

2

Desmos不能够导出动态图!或许是我学艺不精,反正我没发现Desmos有这个能力。

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