在理查德·費曼一場鮮為人知的演講中,他帶領學生用中學數學證明行星的軌道是橢圓。其中我們可以提取出這樣一個有趣的幾何問題:想象一個圓,從其內部任意一點向圓周發出無數條射線。這些射線與圓相交,形成一系列線段。
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接著,將每條線段繞其自身的中點旋轉90度——這實質上就是作出該線段的中垂線。那么,這一族無限多條中垂線,它們所共同描繪出的輪廓(數學上稱為“包絡線”)會是什么形狀?
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令人驚訝的是,這個輪廓恰好是一個橢圓。這個從簡單圓和旋轉操作中浮現出的橢圓,仿佛一個隱藏的寶藏,揭示了圓與橢圓之間深刻而優美的內在聯系。
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從圓到橢圓:形狀的變形記
一個自然的追問隨之而來:如果我們一開始的“舞臺”不是圓,而是一個橢圓呢?從橢圓內一點出發,重復上述過程,其中垂線的包絡線又會形成何種曲線?
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這引向了更為復雜的圖景。當發射點位于橢圓較“尖”的一端附近時,包絡線會收縮,呈現出類似水滴的輪廓,線條圓潤而凝聚。若將發射點置于橢圓的中心附近,包絡線則可能向兩側舒展,形成一道宛如微笑的寬闊弧線,仿佛一個“笑口常開”的形狀。
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這些圖案的千變萬化,取決于原始橢圓的形狀和發射點的精確位置。若再推廣至任意一條閉合曲線,其可能性與復雜性將超乎想象,這無疑是一片值得深入探索的幾何沃土。
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多邊形的簡化世界:拋物線浮出水面
為了在復雜中尋找清晰,我們不妨退一步,考察更簡單的多邊形情形。以三角形為例:從一個點向三角形的三條邊發射射線并作其中垂線,其整體包絡線會是什么?我們或可推測,它可能由三段不同的曲線平滑連接而成。
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聚焦于其中一條邊,問題便簡化了:固定直線外一點,連接該點與直線上所有點,再作出這些連線的中垂線族。那么,這一族直線的包絡線是何形狀?
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根據一些基于幾何軟件和算法的初步研判(常被通俗地稱作“人工智能研判”),這個包絡線很可能是一條經典的圓錐曲線——拋物線。這個猜想頗具直覺之美:直線外一點,與直線上動點連線中垂線的掃掠輪廓,恰是拋物線這種兼具對稱與開放特性的曲線。到底是不是呢?需要讀者親自動手去證明,你得到的將比結論更多。
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