基于數(shù)學軟件的阿基米德螺線切線計算與分析

邵一恒

摘 要：通過運用數(shù)學軟件，按照中學課程中導數(shù)求解的思路，簡便實現(xiàn)阿基米德螺線切線的計算，并對驗證結(jié)果進行分析得出結(jié)論，為拓展中學數(shù)學教學方法提供參考。

關(guān)鍵詞：阿基米德螺線；導數(shù)；數(shù)學教學；Mathematica；交互

一、阿基米德螺線的描述與公式

阿基米德螺線是古希臘數(shù)學家阿基米德提出的一種螺旋曲線，它的描述形式為：一個點勻速離開一個固定點的同時又以固定的角速度繞該固定點轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生的軌跡。阿基米德螺線簡化后的極坐標方程式為r=a*θ。

其中r表示的是動點距圓心的距離，a表示的是每旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，動點移動過的距離，θ表示射線旋轉(zhuǎn)過的角度。

想要得到指定θ角度的切線方程，分析多個周期間切線的位置關(guān)系，這樣的問題就屬于典型的極坐標曲線求切線的問題，通過導數(shù)的計算方法可以簡單地實現(xiàn)。

二、極坐標曲線切線計算的步驟和方法

極坐標曲線的切線計算可以按照下面的步驟來進行：

1.將極坐標公式轉(zhuǎn)換為直角坐標系公式：x=a*θ*Cos（θ）；y= a*θ*Sin（θ）。

2.分別對x（θ）、y（θ）函數(shù)進行求導，得到x′（θ）、y′（θ），二者相除可以得到切線的斜率公式：k=y′（θ）/x′（θ）。

3.按照指定的角度θ0代入直角坐標公式和斜率公式組成切線方程：

y-a*θ0*Cos（θ0）=k*（x-a*θ0*Sin（θ0））

函數(shù)求導和切線方程的建立是整個計算中的難點，但通過引入數(shù)學軟件，以上問題都可以很好地得到解決。

三、Mathematica軟件的基本用法

Mathematica是一款非常專業(yè)的科學計算軟件，具有非常強大的數(shù)值和符號計算功能，它與MATLAB和Maple并稱為三大數(shù)學軟件。Mathematica軟件簡便易用，它的書寫形式更接近于自然語言，適合進行復雜的數(shù)學公式推導與驗證。

在Mathematica中對公式求導是通過D[ ]函數(shù)來實現(xiàn)[1]，以阿基米德螺線切線斜率的計算為例，通過以下的代碼即可實現(xiàn)斜率公式的推導：

Clear[r，a，θ，k，t，x]

r=a*θ；（*阿基米德螺線公式*）

dx=D[r*Cos[θ]，θ]；

dy=D[*Sin[θ]，θ]；

k=dy/dx（*切線斜率*）

t=k*（x-r*Cos[θ]）+r*Sin[θ]（*切線公式*）

運行以上代碼可以得到斜率及切線的公式：

out[574]=阿基米德螺紅切線公式

直線的顯示可以用Plot[ ]函數(shù)，曲線的顯示使用ParametricPlot[ ]函數(shù)來實現(xiàn)。

Mathematica中的坐標系和日常教學中的坐標系是完全一致的，角度是按逆時針方向增長，函數(shù)中的角度值均按弧度值來取值。由于在x軸正方向上，每旋轉(zhuǎn)一周，動點移動2*Pi*a的距離，若將a取值為50/Pi，則曲線與正向x坐標軸的交點是100的整數(shù)倍。

在切線公式代碼的基礎上，添加以下代碼進行數(shù)據(jù)測試：

a=50/Pi；θ=1*Pi；k，t，f1=Plot[t，{x，-30a，30a}]；

θ=2*Pi；k，t，f2=Plot[t，{x，-30a，30a}]；

Aspiral=ParametricPlot[{a*x*Cos[x]，a*x*Sin[x]}，{x，0，6Pi}]；

Show[Aspiral，f1，f2]

Mathematica軟件會將運行過的計算公式保存在內(nèi)存中，對變量直接賦值，直接引用公式項，如上圖中的k項和t項，則可以輸出計算結(jié)果。

四、計算結(jié)果的分析

通過設定不同的θ角度值，執(zhí)行代碼，可以看到不同的運算結(jié)果。

θ角度值為零時，切線與x軸重合，這符合動點運動方向的初始設定，即動點從原點開始向x軸正方向勻速移動，同時按照逆時針方向（角度增大的方向）旋轉(zhuǎn)，最后形成阿基米德螺線的軌跡。

在以上的實驗中，θ角按照Pi為間隔進行測試，斜率k的值“恰好”等于θ角度值。若以Pi/2為間隔，可以得到更具普遍性的結(jié)論：k值的變化不是均勻的，與θ值沒有直接的對等關(guān)系，k值的正負值變化能很好地說明這一點。

在阿基米德“論螺線”的命題18，19中提到，當旋轉(zhuǎn)完一個完整周期時（θ=2Pi），繪制的切線與y軸的交點距原點的距離等于以動點到圓心距離為半徑的圓弧的周長。并且以后每個完整周期都符合這個規(guī)律。

按照實驗中的參數(shù)來看，第一圈的半徑等于100，圓周長為200Pi，與y軸的交點為（0，-200Pi），距離原點距離符合命題中的結(jié)論。x軸方向距離成倍增加時，y軸負方向距離也成倍增加，因此證明命題18，19是準確的。

若θ角度值不是2Pi的整數(shù)倍，則可以很容易地發(fā)現(xiàn)命題18，19中的規(guī)律是不適用的。比如當θ角度為3Pi時，實驗中的切線公式為y=3Pi（150+x），很顯然（x軸距離的2Pi倍）150*2Pi不等于（y軸距離）3Pi*150。因此，“論螺線”的命題18，19僅適用于θ角度值為2Pi整數(shù)倍的情況。

通過間隔為2Pi的切線斜率可以看到，每增加一個周期，斜率也會同步增加，因此，各條切線之間是不平行的，因此在大多數(shù)情況下x軸與y軸交點間的距離沒有固定的比例關(guān)系。

參考文獻：

章美月，劉海媛，金花.Mathematica數(shù)學軟件與數(shù)學實驗[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2013.

編輯 李博寧