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進階繪圖

如何繪製圓、橢圓與隱函數方程式

許多重要曲線無法在整個範圍內表示為單一函數 \(y=f(x)\)。例如,對大多數 x 值,圓都有兩個對應的 y 值。隱函數方程式模式可以直接繪製寫成

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

的關係,而不必把整個關係解成某一個變數的函數。

1. 繪製圓

圓心為 \((h,k)\)、半徑為 \(r\) 的圓,其方程式為

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

對於圓心為 \((2,-1)\)、半徑為 3 的圓,在隱式模式中輸入

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

例如選擇 \(-2\le x\le6\)\(-5\le y\le3\) 的窗口,可以在曲線周圍保留足夠的邊距。

2. 繪製橢圓

座標軸方向與橢圓軸一致時,橢圓的標準方程式為

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

輸入

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

可繪製中心為 \((1,-2)\)、水平半軸長為 2、垂直半軸長為 3 的橢圓。它的長軸頂點為 \((1,-5)\)\((1,1)\),短軸頂點為 \((-1,-2)\)\((3,-2)\)

3. 為什麼解出 y 往往不方便

圓的方程式 \(x^2+y^2=9\) 可以拆成

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

這種方法雖然可行,但需要兩個函數物件,還要設定定義域限制 \(-3\le x\le3\)。直接使用隱函數方程式更簡潔,並且會自動保持圖形的對稱性。

4. 繪製更一般的隱式曲線

隱式模式還可以顯示下列曲線:

  • \(x^3+y^3=3xy\),笛卡兒葉線;
  • \(x^2y+y^3=x\)
  • \((x^2+y^2-1)^3-x^2y^3=0\),心形代數曲線。

複雜的隱式曲線可能需要更小的網格步長或更高的品質設定,才能準確顯示狹窄分支。

5. 繪製旋轉後的圓錐曲線

一般二次關係中可能含有 \(xy\) 項:

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

\(B\ne0\) 時,曲線的主軸通常相對於座標軸發生旋轉。隱式繪圖可以省去把方程式解出 y 所需的繁瑣代數運算,但解析分類仍取決於各項系數以及判別式 \(B^2-4AC\)

6. 填充圓錐曲線內部

把等式改為不等式即可描述一個區域。例如

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

表示半徑為 3 的封閉圓盤區域。如果需要設定顏色、透明度,或填充由多條曲線圍成的區域,請使用圖形陰影工具

常見錯誤

  • 試圖在普通的 \(y=f(x)\) 模式中輸入圓的方程式。
  • 平移座標時忘記新增括號。
  • 兩軸比例不相等,把圓誤看成橢圓。
  • 選擇的檢視範圍截掉了頂點或孤立分支。
  • 誤以為每條隱式曲線都能透過垂直線檢驗。

開啟繪圖計算機,比較隱式、參數式和顯式表示。若要學習以參數表示圓錐曲線,請閱讀參數方程式