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高级绘图

如何绘制圆、椭圆和隐式方程

许多重要曲线无法在整个范围内表示为单一函数 \(y=f(x)\)。例如,对大多数 x 值,圆都有两个对应的 y 值。隐式方程模式可以直接绘制写成

\[F(x,y)=0\]

的关系,而不必把整个关系解成某一个变量的函数。

1. 绘制圆

圆心为 \((h,k)\)、半径为 \(r\) 的圆,其方程为

\[(x-h)^2+(y-k)^2=r^2.\]

对于圆心为 \((2,-1)\)、半径为 3 的圆,在隐式模式中输入

(x-2)^2+(y+1)^2=9

例如选择 \(-2\le x\le6\)\(-5\le y\le3\) 的窗口,可以在曲线周围保留足够的边距。

2. 绘制椭圆

坐标轴方向与椭圆轴一致时,椭圆的标准方程为

\[\frac{(x-h)^2}{a^2}+\frac{(y-k)^2}{b^2}=1.\]

输入

(x-1)^2/4+(y+2)^2/9=1

可绘制中心为 \((1,-2)\)、水平半轴长为 2、竖直半轴长为 3 的椭圆。它的长轴顶点为 \((1,-5)\)\((1,1)\),短轴顶点为 \((-1,-2)\)\((3,-2)\)

3. 为什么解出 y 往往不方便

圆的方程 \(x^2+y^2=9\) 可以拆成

\[y=\sqrt{9-x^2}\qquad\text{和}\qquad y=-\sqrt{9-x^2}.\]

这种方法虽然可行,但需要两个函数对象,还要设置定义域限制 \(-3\le x\le3\)。直接使用隐式方程更简洁,并且会自动保持图形的对称性。

4. 绘制更一般的隐式曲线

隐式模式还可以显示下列曲线:

  • \(x^3+y^3=3xy\),笛卡儿叶形线;
  • \(x^2y+y^3=x\)
  • \((x^2+y^2-1)^3-x^2y^3=0\),心形代数曲线。

复杂的隐式曲线可能需要更小的网格步长或更高的质量设置,才能准确显示狭窄分支。

5. 绘制旋转后的圆锥曲线

一般二次关系中可能含有 \(xy\) 项:

\[Ax^2+Bxy+Cy^2+Dx+Ey+F=0.\]

\(B\ne0\) 时,曲线的主轴通常相对于坐标轴发生旋转。隐式绘图可以省去把方程解出 y 所需的繁琐代数运算,但解析分类仍取决于各项系数以及判别式 \(B^2-4AC\)

6. 填充圆锥曲线内部

把等式改为不等式即可描述一个区域。例如

\[x^2+y^2\le9\]

表示半径为 3 的闭圆盘。如果需要设置颜色、透明度,或填充由多条曲线围成的区域,请使用图形阴影工具

常见错误

  • 试图在普通的 \(y=f(x)\) 模式中输入圆的方程。
  • 平移坐标时忘记添加括号。
  • 横纵坐标比例不相等,把圆误看成椭圆。
  • 选择的观察窗口截掉了顶点或孤立分支。
  • 误以为每条隐式曲线都能通过竖线检验。

打开绘图计算器,比较隐式、参数式和显式表示。若要学习以参数表示圆锥曲线,请阅读参数方程