包絡線

包絡線(Envelope)是幾何學裡的概念,代表一條曲線與某個曲線族中的每條線都有至少一點相切。(曲線族即一些曲線的無窮集,它們有一些特定的關係。)

設一個曲線族的每條曲線C_s可表示為t \mapsto (x(s,t),y(s,t)),其中s是曲線族的參數,t是特定曲線的參數。若包絡線存在,它是由s \mapsto ( x(s,h(s)), y(s,h(s)) )得出,其中h(s)以以下的方程求得:

: \frac{\partial y}{\partial h} \frac{\partial x}{\partial s} = \frac{\partial y}{\partial s} \frac{\partial x}{\partial h}

若曲線族以隱函數形式 F(x,y,s)=0 表示,其包絡線的隱方程,便是求下面兩個方程的解x和y之隱函數關係。

: \begin{cases} F(x,y,s)=0\\ \frac{\partial F(x,y,s)}{\partial s} =0\end{cases}

繡曲線是包絡線的例子。直線族(A-s) x + s y = (A-s)(s)(其中A是常數,s是直線族的變數)的包絡線為拋物線。

證明
設曲線族的每條曲線C_s為t \mapsto (x(s,t),y(s,t))。

設存在包絡線。由於包絡線的每點都與曲線族的其中一條曲線的其中一點相切,對於任意的s,設( x(s,h(s)), y(s,h(s)) )表示C_s和包絡線相切的那點。由此式可見,s是包絡線的變數。要求出包絡線,就即要求出h(s)。

在C_s的切向量為,其中t=h(s)。

在E的切向量為。因為x是s和t的函數,而此處t=h(s),局部求導有:

: \frac{dx}{ds} = \frac{\partial x}{\partial h} \frac{dh}{ds} + \frac{\partial x}{\partial s} \frac{ds}{ds} = \frac{\partial x}{\partial h} h'(s) + \frac{\partial x}{\partial s}

類似地得 \frac{dy}{ds} = \frac{\partial y}{\partial h} h'(s) + \frac{\partial y}{\partial s}。

因為E和C_s在該點相切,因此其切向量應平行,故有

: \frac{\partial x}{\partial t} = \lambda ( \frac{\partial x}{\partial h} h'(s) + \frac{\partial x}{\partial s} )
: \frac{\partial y}{\partial t} = \lambda ( \frac{\partial y}{\partial h} h'(s) + \frac{\partial y}{\partial s} )

其中\lambda \ne 0。可用此兩式消去h'(s)。整理後得:
\frac{\partial y}{\partial h} \frac{\partial x}{\partial s} = \frac{\partial y}{\partial s} \frac{\partial x}{\partial h}

參考

參見
*克萊羅方程
外部連結

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