061.心脏线
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※061.心脏线
杜勒(Albrecht Dürer,1471—1528)艾提安·帕斯卡尔(étienne Pascal,1588—1640)罗默(Ole Romer,1644—1710)拉依尔(Philippe de La Hire,1640—1718)卡斯提伦(Johann Castillon,1704—1791)
1637年
此图出自雷依斯(Jos Leys)之手。图中心脏线外形是由圆上两端点的直线所组成,且左半边端点联机速度是右半边的两倍。
蔓叶线(约公元前180年),奈尔类立方拋物线的长度(1657年),星形线(1674年),分形(1975年)及曼德博集合(1980年)
外形和心脏一样的心脏线,几世纪以来都由于它的数学性质、图案美观以及实用的特性,让数学家们深深着迷。想要画出这条曲线,只需要追踪圆上的某一点,让该点随着圆绕行另一个半径相同且紧邻的(固定)圆,并逐一描出该点的轨迹即可。心脏线的英文名源自希腊文的“心”,用极坐标表示的话,可以写成r=a(1-cosθ),其面积为(3/2)πa,周长为8a。
还有另一个画出心脏线的方法。画出一个圆C,并在其上固定一点P;接下来,循着圆C的周长为圆心,画出一连串大小互异、但一律通过P点的圆,最后描出这一连串圆的轮廓,就可以得到心脏线。很多看似毫不相关的数学领域都能看到心脏线的踪影,像是光学的焦散现象,还有分形几何中曼德博集合中间部位的形状。
历史上有好几个跟心脏线有关的时间。法国律师及业余数学家,也是数学家帕斯卡尔之父的艾提安·帕斯卡尔,大约在1637年,认真研究过心脏线更一般化的情况,并把研究成果称为“巴斯卡耳蜗”。再更早一点,德国画家暨数学家杜勒在1525年所出版的《测量准则》(Underweysung der Messung)一书中,提供绘制这类耳蜗的方法。1674年,丹麦天文学家罗默曾认真思考过开发心脏线外形齿轮齿的可能。另一位法国数学家拉依尔则在1708年,算出心脏线的周长。有趣的是,心脏线这个望文生义的词汇要等到卡斯提伦在1741年于《皇家学会会志》(Philosophical Transactions of the Royal Society)发表论文后,才被广泛引用。
维邱恩(Glen Vecchione)为我们说明了心脏线的实用性:“心脏线可以显示聚集在单一源点往外放射波纹的干扰与全等,如此一来,我们就能找出麦克风或天线感应最灵敏的区域……而心形指向式麦克风就是一种对前方声音敏锐,同时又可以降低后方杂音干扰的麦克风。” 数学之书:数学史上250个里程碑式的发现