瓦特曲線

瓦特曲線是指一個六次方程的平面代數曲線，也是圓代數曲線（英语：circular algebraic curve）。是由二個半徑為b ，圓心之間距離為2a（分別在(±a, 0)）的圓所產生，一個長為2c的線段，兩端點分別在二圓上，其線段中間的軌跡即為瓦特曲線，此曲線和詹姆斯·瓦特在蒸汽機上的貢獻有關。

繪製瓦特曲線（圖中的黑線）

瓦特曲線的方程式可以寫為以下的极坐标系方程

${\displaystyle r^{2}=b^{2}-\left[a\sin \theta \pm {\sqrt {c^{2}-a^{2}\cos ^{2}\theta }}\right]^{2}.}$

推導

极坐标系

极坐标系方程可以用下式推導^[1]： 在複數平面上，令二圓的圓心為a和−a，二圓連線的端點為−a+be^{i λ}和a+be^{i ρ}。令線段相對水平線的斜角ψ，其中點為re^{i θ}，則二端點也可表示為re^{i θ} ± ce^{i ψ}。二端點的二種表示式可得：

${\displaystyle a+be^{i\rho }=re^{i\theta }+ce^{i\psi }.\,}$ 

${\displaystyle -a+be^{i\lambda }=re^{i\theta }-ce^{i\psi }\,}$ 

二式相加再除二可得

${\displaystyle re^{i\theta }={\tfrac {b}{2}}(e^{i\rho }+e^{i\lambda })=b\cos({\tfrac {\rho -\lambda }{2}})e^{i{\tfrac {\rho +\lambda }{2}}}.}$ 

比較半徑及幅角可得

${\displaystyle r=b\cos \alpha ,\ \theta ={\tfrac {\rho +\lambda }{2}}\ {\mbox{where}}\ \alpha ={\tfrac {\rho -\lambda }{2}}.}$ 

一開始的二式相減再除二可得

${\displaystyle ce^{i\psi }-a={\tfrac {b}{2}}(e^{i\rho }-e^{i\lambda })=ib\sin \alpha e^{i\theta }.}$ 

將a以下式表示

${\displaystyle a=a\cos \theta \ e^{i\theta }-ia\sin \theta \ e^{i\theta }.\,}$ 

因此

${\displaystyle ce^{i\psi }=ib\sin \alpha e^{i\theta }+a\cos \theta \ e^{i\theta }-ia\sin \theta \ e^{i\theta }=(a\cos \theta \ +i(b\sin \alpha -a\sin \theta ))e^{i\theta },}$ 

${\displaystyle c^{2}=a^{2}\cos ^{2}\theta +(b\sin \alpha -a\sin \theta )^{2},\,}$ 

${\displaystyle b\sin \alpha =a\sin \theta \pm {\sqrt {c^{2}-a^{2}\cos ^{2}\theta }},\,}$ 

${\displaystyle r^{2}=b^{2}\cos ^{2}\alpha =b^{2}-b^{2}\sin ^{2}\alpha =b^{2}-\left[a\sin \theta \pm {\sqrt {c^{2}-a^{2}\cos ^{2}\theta }}\right]^{2}.,\,}$ 

直角座標系

將極座標方式展開可得

${\displaystyle r^{2}=b^{2}-(a^{2}\sin ^{2}\theta \ +c^{2}-a^{2}\cos ^{2}\theta \pm 2a\sin \theta {\sqrt {c^{2}-a^{2}\cos ^{2}\theta }}),\,}$ 

${\displaystyle r^{2}-a^{2}-b^{2}+c^{2}+2a^{2}\sin ^{2}\theta =\pm 2a\sin \theta {\sqrt {c^{2}-a^{2}\cos ^{2}\theta }}),\,}$ 

${\displaystyle (r^{2}-a^{2}-b^{2}+c^{2})^{2}+4a^{2}(r^{2}-a^{2}-b^{2}+c^{2})\sin ^{2}\theta +4a^{4}\sin ^{4}\theta =4a^{2}\sin ^{2}\theta (c^{2}-a^{2}\cos ^{2}\theta ),\,}$ 

${\displaystyle (r^{2}-a^{2}-b^{2}+c^{2})^{2}+4a^{2}(r^{2}-b^{2})\sin ^{2}\theta =0,\,}$ 

${\displaystyle (x^{2}+y^{2})(x^{2}+y^{2}-a^{2}-b^{2}+c^{2})^{2}+4a^{2}y^{2}(x^{2}+y^{2}-b^{2})=0.\,}$ 

令d ²=a²+b²–c² 因此可簡化上式為:${\displaystyle (x^{2}+y^{2})(x^{2}+y^{2}-d^{2})^{2}+4a^{2}y^{2}(x^{2}+y^{2}-b^{2})=0.\,}$ 

瓦特連桿

 

當曲線通過原點時，原點為拐點，因此有3階接觸切線。不過若a²=b²+<c²，則有5階接觸切線，換句話說此曲線相當接近直線，這就是瓦特連桿（英语：Watt's linkage）可以作為直線運動機構的原理。

相關條目

• 平面四杆机构
• 瓦特連桿（英语：Watt's linkage）

參考資料

1. See Catalan and Rutter

外部連結

• 埃里克·韦斯坦因. Watt's Curve. MathWorld. 
• 約翰·J·奧康納; 埃德蒙·F·羅伯遜（英语：Edmund F. Robertson）, Watt's Curve, MacTutor数学史档案 （英语） 
• "Courbe de Watt" at Encyclopédie des Formes Mathématiques Remarquables （页面存档备份，存于互联网档案馆） (in French)
• Catalan, E. Sur la Courbe de Watt. Mathesis. 1885, V: 154. 
• Rutter, John W. Geometry of Curves. CRC Press. 2000: 73ff. ISBN 1-58488-166-6.