莱洛三角形钻出来的圆角正方形,四个角是什么形状?

莱洛三角形钻出来的圆角正方形,四个角是什么形状?

这是一个好玩的问题。

我们先来观察一下右上角的那段曲线是怎么形成的。

最初,莱洛三角形的顶点A朝向3点钟方向(图1)。

然后,莱洛三角形开始逆时针旋转,A点一直位于正方形的右边上,直到它指向2点钟方向(图2)。此时,弧AC与正方形的右边相切。

继续旋转时,A点就离开了正方形边界,而B、C两点位于正方形的左、下两边上,直到A点指向1点钟方向时,A点到达正方形的上边界,同时弧AB与正方形的上边相切(图3)。

继续旋转,A点就在正方形的上边界上移动(图4)。

不难看出,右上角的曲线是在A点从2点钟方向(图2)旋转至1点钟方向(图3)的过程中产生的。

看起来,莱洛三角形在正方形内旋转,扫过的区域的边缘是个圆角正方形,四个角似乎是四分之一圆弧。只要求出圆弧的半径就大功告成了。

那么就来求一下试试呗!

设莱洛三角形的“直径”为1,那么正方形的边长也为1。

不难求出,图2、3中A点与正方形右上角的距离为。这就是四段圆弧的半径。

等等!不对呀,从图2到图3,莱洛三角形明明只旋转了30度,四个角上应该是30度圆弧而不是90度圆弧吧?

其实呢,30度圆弧和90度圆弧都不对。注意在旋转的过程中,莱洛三角形的中心是在移动的!这造成的结果是,A点从2点钟方向旋转到1点钟方向所描出的曲线,根本就不是圆弧!

那么怎么来求A点的轨迹呢?

注意到A点从2点钟方向旋转到1点钟方向的过程中,B、C点始终在正方形的左、下边界上。

那么可以以这两个边界为坐标轴建立直角坐标系,设C点的坐标为,B点的坐标为。

由ABC是边长为1的正三角形,可以列出方程组:

从中消去a、b,可以得到如下方程:

咦?方程变成了四次的?这是因为消元过程中需要通过两边平方来消去一些“±”号。

不过这个四次方程代表的并不是一个四次曲线。它可以因式分解:

这代表的是两个椭圆:

其中,后一个括号(交叉项系数为负)代表的是橙色的椭圆,它就是A点的轨迹;

如果限制B、C位于坐标轴的正半轴上(即要求a,b均非负),就能截取出正方形右上角那一小段曲线。

而前一个括号(交叉项系数为正)代表的是浅绿色的椭圆,它是A点关于BC的镜像点A'的轨迹。

所以,我们要研究的那一段曲线,其实是椭圆的一部分!

下面是这个椭圆的一些数据,以便题主绘图之用:

方程的另一种形式:

中心:原点

半长轴:,沿直线

半短轴:,沿直线

焦点: