超椭圆 (英语:superellipse )也称为拉梅曲线 (Lamé curve ),是在笛卡儿坐标系 下满足以下方程式的点的集合:
|
x
a
|
n
+
|
y
b
|
n
=
1
{\displaystyle |{\frac {x}{a}}|^{n}\!+|{\frac {y}{b}}|^{n}\!=1}
n = 0.5,a = b = 1的超椭圆
n = 1.5,a = b = 1的超椭圆
n = 4,a = b = 1的超椭圆,也称为方圆形(Squircle)
其中n 、a 及b 为正数。
上述方程式的解会是一个在−a ≤ x ≤ +a 及−b ≤ y ≤ +b 长方形 内的封闭曲线,参数a 及b 称为曲线的半直径 (semi-diameters )。
n 在0和1之间时,超椭圆的图形类似一个曲线的四角星,四边的曲线往内凹。
n 为1时,超椭圆的图形为一菱形 ,四个顶点为(±a , 0)及(0, ±b )。n 在1和2之间时,超椭圆的图形类似菱形 ,四个顶点位置相同,但四边是往外凸 的曲线,越接近顶点,曲线的曲率 越大,顶点的曲率趋近无限大。
n 为2时,超椭圆的图形即为椭圆 (若a = b 时则为一个圆形 )。当n 大于2时,超椭圆的图形看似四角有圆角 的长方形 ,曲线的曲率在(±a , 0)及(0, ±b )四点为0。n 为4的超椭圆也称为方圆形 。
n < 2的超椭圆也称为次椭圆 (hypoellipse ),n > 2的超椭圆则称为过椭圆 (hyperellipse )。
当n ≥ 1,且a = b =1时的超椭圆是二维Lp 空间 下的单位圆,n 即为其p-范数。
超椭圆的极点为(±a , 0)及(0, ±b ),而其四个“角”为(±sa, ±sb ),其中
s
=
2
−
1
n
{\displaystyle s=2^{-{\frac {1}{n}}}}
。
当n 为一个非零的有理数p /q (最简分数形式),则超椭圆为一平面代数曲线 。若n 为正数,其曲线次数为pq ,若n 为负数,其曲线次数为2pq 。若a 和b 均为1且n 为偶数,则此超椭圆为一n 次的费马曲线 ,此时超椭圆没有奇点,但一般而言超椭圆中会有有奇点。
超椭圆的动画
超椭圆的参数方程 如下:
x
(
θ
)
=
±
a
cos
2
n
θ
y
(
θ
)
=
±
b
sin
2
n
θ
}
0
≤
θ
<
π
2
{\displaystyle \left.{\begin{aligned}x\left(\theta \right)&=\pm a\cos ^{\frac {2}{n}}\theta \\y\left(\theta \right)&=\pm b\sin ^{\frac {2}{n}}\theta \end{aligned}}\right\}\qquad 0\leq \theta <{\frac {\pi }{2}}}
或
x
(
θ
)
=
|
cos
θ
|
2
n
×
a
sgn
(
cos
θ
)
y
(
θ
)
=
|
sin
θ
|
2
n
×
b
sgn
(
sin
θ
)
{\displaystyle {\begin{aligned}x\left(\theta \right)&={|\cos \theta }|^{\frac {2}{n}}\times a\operatorname {sgn}(\cos \theta )\\y\left(\theta \right)&={|\sin }\theta |^{\frac {2}{n}}\times b\operatorname {sgn}(\sin \theta )\end{aligned}}}
超椭圆内的面积可以用Γ函数 Γ(x )来表示:
S
{\displaystyle \ S}
=
Γ
(
x
)
=
4
a
b
(
Γ
(
1
+
1
n
)
)
2
Γ
(
1
+
2
n
)
.
{\displaystyle \Gamma (x)=4ab{\frac {\left(\Gamma \left(1+{\tfrac {1}{n}}\right)\right)^{2}}{\Gamma \left(1+{\tfrac {2}{n}}\right)}}.}
其垂足曲线 较容易计算,而以下曲线的垂足曲线
(
x
a
)
n
+
(
y
b
)
n
=
1
{\displaystyle \left({\frac {x}{a}}\right)^{n}\!+\left({\frac {y}{b}}\right)^{n}\!=1}
可以用极坐标方式来表示[ 1] :
(
a
cos
θ
)
n
n
−
1
+
(
b
sin
θ
)
n
n
−
1
=
r
n
n
−
1
.
{\displaystyle (a\cos \theta )^{\tfrac {n}{n-1}}+(b\sin \theta )^{\tfrac {n}{n-1}}=r^{\tfrac {n}{n-1}}.}
广义的超椭圆,m ≠ n .
超椭圆可以延伸为以下的形式:
|
x
a
|
m
+
|
y
b
|
n
=
1
;
m
,
n
>
0.
{\displaystyle \left|{\frac {x}{a}}\right|^{m}+\left|{\frac {y}{b}}\right|^{n}=1;\qquad m,n>0.}
或
x
(
θ
)
=
|
cos
θ
|
2
m
⋅
a
sgn
(
cos
θ
)
y
(
θ
)
=
|
sin
θ
|
2
n
⋅
b
sgn
(
sin
θ
)
.
{\displaystyle {\begin{aligned}x\left(\theta \right)&={|\cos \theta |}^{\frac {2}{m}}\cdot a\operatorname {sgn}(\cos \theta )\\y\left(\theta \right)&={|\sin \theta |}^{\frac {2}{n}}\cdot b\operatorname {sgn}(\sin \theta ).\end{aligned}}}
其中的
θ
{\displaystyle \theta }
不是 表示角度,只是方程式的一个参数。
超椭圆在笛卡儿坐标系下的表示式是由1795年出生的法国数学家加布里埃尔·拉梅 ,由椭圆的方程式扩展而得。
Zapf's Melior字体的'o'及'O'的轮廓可以用n = log(1/2) / log (7/9) ≈ 2.758的超椭圆来表示
字体设计师赫尔曼·察普夫 在1952年设计的Melior 字体 ,利用超椭圆作为字母o 的外形。三十年后高德纳 设法选择了介于椭圆及超椭圆之间的曲线(两者都用样条函数 近似),作为他的Computer Modern 字体。
1959年时瑞典斯德哥尔摩 提出了其市中心赛格尔广场 圆环 的设计竞赛。丹麦诗人皮亚特·海恩 (1905–1996)的设计以是一个n = 2.5,a /b = 6/5的超椭圆为基础[ 2] 。他的说明如下:
人是唯一一种会画线然后将自己绊倒的动物。整个文明的推进有二个不同的取向:一种以直线及长方形为主,另一种则圆弧线为主。二种取向都有其机构上及心理上的原因。直线的事物可以放在一起,节省空间。而圆的东西很简单,容易移动。但我们常常会陷入要在二者中选择一个的困境,此时往往是介于二者中间的事物会更合适。随意绘制的作品-例如以往在斯德哥尔摩出现过的圆环-无法达到这一点。它不是一个固定的形状,也不像圆或方形有明确的定义,在美感上有所不足。超椭圆解决了这一个问题,它介于圆和长方形之间,既不是圆也不是长方形。它是一个有固定形状、有明确定义的一个整体。
赛格尔广场在1967年完成,而皮亚特·海恩继续在其他的艺术品中使用超椭圆,包括床、碟子、桌子等[ 3] 。皮亚特·海恩将超椭圆以长轴为轴心旋转,形成了一个立体的超级蛋 ,其特点是可以平面上直立,不会倒下,因此变成一个特别的玩具。
1968年在巴黎在为越战 谈判时,谈判者不满意谈判桌的外形,Balinski、Kieron Underwood及Holt在一封寄给纽约时报 的信件中建议以超椭圆作为谈判桌的外形[ 2] 。1968年由墨西哥城 主办奥运时,也以超椭圆为阿兹特克体育场 的外形。
沃尔多·托布勒 在1973年提出了托布勒超椭圆投影 [ 4] ,其中的经线 就是用超椭圆来表示。
美式橄榄球 球队匹兹堡钢人 的标志是三个相连的超椭圆。
星形线 ,n = 2/3,且a = b 的超椭圆,是四尖瓣的内摆线 。
方圆形 ,n = 4,且a = b 的超椭圆,看起来像是“正方形的轮子”。
超公式 ,超椭圆的延伸。
超二次曲面 ,三维下的超椭圆。
超椭圆曲线 ,方程为Y n = f (X )的曲线。
Gardner, Martin, Piet Hein’s Superellipse, Mathematical Carnival. A New Round-Up of Tantalizers and Puzzles from Scientific American, New York: Vintage Press : 240–254, 1977, ISBN 978-0-394-72349-5