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058 1636年 费马螺线

费马(Pierre de Fermat,1601—1665)笛卡儿(René Descartes,1596—1650)

费马螺线又称为拋物线螺线,可以用极坐标方程式 r 2= a2 θ表示之。给定任何一个正值 θ 就会产生两个 r 值,形成费马螺线以原点相互对称的特性;而螺线的原点,就位于这张艺术作品的正中央。

阿基米德螺线(公元前 225 年),斐波那契的《计算书》(1202年),黄金比例(1509年),倾角螺线(1537年),费马最后定理(1637年),对数螺线(1638年),渥德堡铺砖法(1936年),乌拉姆螺线(1963年)及连续三角螺旋(1979年)

在 17 世纪初期,法国律师暨数学家费马针对数论以及其他数学领域,提出许多精妙绝伦的创新观点。1636 年,费马《平面与立体轨迹引论》(Ad locos planos et solidos lisagoge)手稿上的研究,超越了笛卡儿解析几何方面的成果,让费马定义出很多重要的曲线加以钻研,包括摆线(cycloid)和费马螺线。

费马螺线又称作拋物线螺线,以极坐标方程表示的话,可以写成 r2= a2θ,其中 r 表示曲线与原点之间的距离(径坐标), a是决定这个螺线紧密度的一个常数,θ 则是方位角(角坐标)。只要给定任何一个正值 θ,就存在一正一负两个不同的 r 值,形成费马螺线以原点相互对称的特性。费马本人特别喜欢研究费马螺线其中一臂在不同旋转角度下,会与 x 轴夹集出不同区域面积的关系。

现在的计算机绘图专家有时候会采用费马螺线,模拟花卉种子排列方式的模型,譬如我们可以用极坐标方程式 r(i)=ki½作为种子分布的中心点,而 θ 定义为 θ(i)=2iπ/τ,其中τ就是黄金数( 1+ 5 )/2, i 则是 1,2,3,4, …这样一个简单的计数。

计算机绘图可以画出很多种朝不同方向扭转的螺线臂,我们可以观察不同的对称螺线从中心点往外放射的图案,例如 8,13,21 这三种不同的螺线臂。而这些全都是斐波那契序列中的数字(请参照条目斐波那契的《计算书》)。

根据马洪尼(Michael Mahoney)的说明:“费马曾经花费一段时间研究各种螺线,一直到他在《伽利略对话录》(Galileo Dialogue)中获得满意的解答。1636年6月3日,费马在一封写给梅森(Marin Mersenne)的信中提到了 r2=a2θ 这个螺线……”■