Excel:关于二次曲线极坐标方程图像的描绘

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这是对张万旭同学提问答复的续2。希望张同学能看到。
二次曲线可以用其第二定义,使用极坐标方程来表示(具体定义可见相应各类教材):
ρ=ep/(1-e cosθ)
其中:p为焦点F到准线的距离,e为离心率:
当0时,曲线为椭圆;
当e=1时,曲线为抛物线;
当e>1时,曲线为双曲线。
但由于在Excel中,极坐标方程是无法直接绘图的,就要将其转换成直角坐标,而这一切对于Excel来讲可以很容易实现:
X=ρ COSθ
Y=ρ SINθ
也就是说,先由极角θ在[0,2π]上的变化,根据极坐标方程可以求得每一个θ角对应的ρ的值;然后由ρ的值转换为X、Y的值,可以据此绘出图像。
先以椭圆为例(本例假设e=0.6,p=10.)。
先在F2单元格设定e的值,在G2单元格设定p的值,对它们可以使用绝对引用。
A列从A3开始为X在[0,2π],即[0,6.28]上取值,为了使曲线圆滑连续,数据点可以多取一些,数据间隔为0.1.
B列从B3开始是公式,先取得ρ的值:在B3中键入=$F$2*$G$2/(1-$F$2*COS(A3)),对F2单元格e的值和G2单元格p的值使用绝对引用,θ取值为对A3单元格的相对应用。然后向下拖曳复制到与A列相对应的B66.
C列从C3开始也是公式,转换数据点的X坐标:在C3中键入=B3*COS(A3),对B3单元格ρ的值使用相对引用,θ取值为对A3单元格的相对应用。然后向下拖曳复制到与A列相对应的C66.
同理,D3开始也是公式,转换数据点的Y坐标:在D3中键入=B3*SIN(A3),对B3ρ的值单元格使用相对引用,θ取值为对A3单元格的相对应用。然后向下拖曳复制到与A列相对应的D66。
注意:A、B两列只起辅助作用,不参与作图,作图只需C、D两列。选中C3:D66,在图表向导中选择xy散点图中的二行二列的无数据点平滑散点图,即可完成,删去图例、背景,设置、调整网格线、尤其是坐标轴等相应格式后即如下图所示。此例对坐标轴的最大最小值要及时调整,否则图像会有较大变形。
再以双曲线为例(本例假设e=1.1, p=2.)。其实,本例公式基本不变,只需在上面椭圆的基础上,改变e的值和p的值,还要对坐标轴最大值最小值的取值做一些调整即可。但为了完整起见,所有做法完整再重新叙述一遍。
先在F2单元格设定e的值,在G2单元格设定p的值,对它们可以使用绝对引用。
A列从A3开始为X在[0,2π],即[0,6.28]上取值,为了使曲线圆滑连续,数据点可以多取一些,数据间隔为0.1.
B列从B3开始是公式,先取得ρ的值:在B3中键入=$F$2*$G$2/(1-$F$2*COS(A3)),对F2单元格e的值和G2单元格p的值使用绝对引用,θ取值为对A3单元格的相对应用。然后向下拖曳复制到与A列相对应的B66.
C列从C3开始也是公式,转换数据点的X坐标:在C3中键入=B3*COS(A3),对B3单元格ρ的值使用相对引用,θ取值为对A3单元格的相对应用。然后向下拖曳复制到与A列相对应的C66.
同理,D列从D3开始也是公式,转换数据点的Y坐标:在D3中键入=B3*SIN(A3),对B3ρ的值单元格使用相对引用,θ取值为对A3单元格的相对应用。然后向下拖曳复制到与A列相对应的D66。
注意:A、B两列只起辅助作用,不参与作图,作图只需C、D两列。选中C3:D66,在图表向导中选择xy散点图中的二行二列的无数据点平滑散点图,即可完成,删去图例、背景,设置、调整网格线、尤其是坐标轴等相应格式后即如下图所示。此例对坐标轴的最大最小值要及时调整,否则图像会有较大变形。
再以抛物线为例(本例假设e=1
先在F2单元格设定e的值,在G2单元格设定p的值(本例假设e=1,p=2.),对它们可以使用绝对引用。
A列从A3开始为X在[0,2π],即[0,6.28]上取值,为了使曲线圆滑连续,数据点可以多取一些,数据间隔为0.1.
B列从B3开始是公式,先取得ρ的值:在B3中键入=$F$2*$G$2/(1-$F$2*COS(A3)),对F2单元格e的值和G2单元格p的值使用绝对引用,θ取值为对A3单元格的相对应用。然后向下拖曳复制到与A列相对应的B66.
C列从C3开始也是公式,转换数据点的X坐标:在C3中键入=B3*COS(A3),对B3单元格ρ的值使用相对引用,θ取值为对A3单元格的相对应用。然后向下拖曳复制到与A列相对应的C66.
同理,D列从D3开始也是公式,转换数据点的Y坐标:在D3中键入=B3*SIN(A3),对B3ρ的值单元格使用相对引用,θ取值为对A3单元格的相对应用。然后向下拖曳复制到与A列相对应的D66。
但是此时不能盲目地选取全部数据作图。设想,抛物线是向开口处两端无限延展,极角趋近0或趋近2π时,极径是极大极大的,X、Y坐标的绝对值也会很大很大,整个图形会变得很难看。实际上我们也不可能作出全部图像,只需要靠近焦点的近端一小部分,所以要对取值范围做一个筛选。
选择让数据表格不显示公式,此时就显出数据值,如下图所示:
注意上述数据,在θ趋近0时,当θ取值为0.01时,ρ、X、Y的值相当大,不适于作图,直至θ取值为0.4时,X、Y的值才能在界面适当显示,也就是从C7和D7开始。
同样,再考虑在θ趋近2π时,观察先半段数据,如下图:
在θ趋近2π(6.28)时,当θ取值为6.2时,ρ、X、Y的值相当大,不适于作图。θ取值超过6.28,大于6.3后,由于超过了2π,ρ和X的值变得很大、正弦值因角度超过2π进入第一象限,Y值由负变为正,必然造成线条交错,图形失真。只有当θ取值为小于5.9时,X、Y的值才能在界面适当显示,也就是选区应当在C62和D62结束。
注意:A、B两列只起辅助作用,不参与作图,作图只需C、D两列。选中C7:D62,在图表向导中选择xy散点图中的二行二列的无数据点平滑散点图,即可完成,删去图例、背景,设置、调整网格线、尤其是坐标轴等相应格式后即如下图所示。此例对坐标轴的最大最小值要及时调整,该调整范围可参照上述两图显示数据的大小进行,否则图像会有较大变形。
本文对图表的最基本作法、各种格式的基本调整,都未叙述。有需要的可以来邮件:
【附录】关于我的博客中使用Excel图表描绘二次曲线的相关文章
《Excel:关于二次曲线直角坐标方程图像的描绘》
http://shuchonghui.blog.163.com/blog/static/1511563201210268292123/
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《Excel:关于圆(圆心在原点)的极坐标方程图像的描绘》
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《Excel:关于二次曲线极坐标方程图像的描绘》
http://shuchonghui.blog.163.com/blog/static/15115632012102774036558/
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