一、图形引入
首先引入下面几个图形:
上面的图形均是由一簇直线构成的。直线是按照一定的规则绘制的,确定直线的2个点的纵坐标逐渐减小,横坐标逐渐增大。这样在交点处会构成一条近似的曲线,下面就是研究这条近似曲线的比较精确的表达式。
比较精确的表达式需要满足下面2个条件:
-
该曲线需要靠近这些交点;
-
近似曲线与XY轴构成的面积和图形与XY轴构成的面积要比较接近;
下面进行符号说明:X轴间隔为a,Y轴的间隔为b,直线的条数为n。其中a,b均为1为标准形式。其他情形均是标准形式的一般化。
二、面积分析
对于标准形式而言,假设n=5,下面给出面积分析的结果:
image从结果可知,直线簇切割形成的小图形的面积是有规律可循的,其中最外层的面积是最小的,其面积为1/(n+1),越靠近原点,面积越大,并且是成比例的。因此可以得到直线簇与XY轴构成的图形的总面积为n(n+2)/6。一般化的形式为,最小面积为ab/(n+1),总面积为abn(n+2)/6。下面给出a=3,b=4,n=8的面积分析结果:
image三、拟合曲线
假设曲线方程具有如下形式:
image下面利用积分计算其与XY轴构成的图形的面积:
image根据积分结果,可知该曲线的面积是接近直线簇构成的面积的,满足条件2。下面对误差进行分析:
image当n大于0时,面积差函数的导数恒大于0,因此面积差函数是单调递增的,当n=1时,取得面积差的最小值:
image下面计算面积差的最大值,也就是计算:
image上述给的是标准形式,对于一般形式而言,最小值和最大值分别为:
image image四、结果展示
- 标准形式,其中n=15
- X轴间隔5,Y轴间隔3,n为80
根据右下角的图像可知,曲线距离直线簇中的交点是比较接近的,因此满足条件1。
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