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【微分几何】正方形的弧长函数及其反函数

给定标准正方形的参数方程:{Abs[Cos[v]] Cos[v], Abs[Sin[v]] Sin[v]}图形如下图所示。本文要算出,当v从0到2Pi之间变化的时候,曲线对应的弧长函数和反函数。
工具/原料
1

电脑

2

Mathematica

方法/步骤
1

先来构造弧长函数:Floor[(2 x)/Pi] Sqrt[2] +Sqrt[2] Sin[x + Floor[(2 x)/Pi]*(Pi/2)]^2

3

试图通过解方程的方法,来求取反函数,结果是不能求取。

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用分段函数来表示弧长函数:l[x_] := Piecewise[{{Sqrt[2] Sin[x]^2, 0 <= x <= Pi/2},   {Sqrt[2] + Sqrt[2] Cos[x]^2, Pi/2 < x <= Pi},   {2 Sqrt[2] + Sqrt[2] Sin[x]^2, Pi < x <= Pi*3/2},   {3 Sqrt[2] + Sqrt[2] Cos[x]^2, Pi*3/2 < x <= Pi*2}}]用这个分段函数解方程,可以算出反函数:

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把这个求解结果,转化为分段函数,并绘制图像:ll[t_] :=  Piecewise[{{1/2 ArcCos[(Sqrt[2] - 2 t)/Sqrt[2]], 0 <= t < Sqrt[2]},   {1/2 (2 \[Pi] - ArcCos[-((3 Sqrt[2] - 2 t)/Sqrt[2])]),     Sqrt[2] <= t < 2 Sqrt[2]},   {1/2 (2 \[Pi] + ArcCos[(5 Sqrt[2] - 2 t)/Sqrt[2]]),     2 Sqrt[2] <= t < 3 Sqrt[2]},   {1/2 (4 \[Pi] - ArcCos[-((7 Sqrt[2] - 2 t)/Sqrt[2])]),     3 Sqrt[2] <= t < 4 Sqrt[2]}}]Plot[{l[x], ll[x]}, {x, 0, 2 Pi}, AspectRatio -> Automatic,  PlotRange -> {{0, 2 Pi}, {0, 2 Pi}}, ImageSize -> {360, 360}]

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对这个分段函数进行整理,可以集约化为一个统一的表达式:

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通过图像可以证明,这个函数确实是弧长函数的反函数。

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