
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:
