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所謂等角螺線,就是螺線往外展開時,它往切線的向量和由原點連過來的那一條線的夾角,恆呈現一個固定的角度,譬如稱之為α (alpha)。等角螺線的極座標方程式為r=f(θ),那麼那個等角螺線就會符合以下的性質*:
f’(θ)/f(θ)=cot(α) (0<α<𝝅;α≠𝝅/2);
f’(θ)=f(θ)*cot(α)
符合 f’(θ)=f(θ) 這個性質的是指數函數e^(θ),再把cot(α)考慮進來,並加上倍數常數A,f(θ)的指數函數一般化公式就是:
f(θ)=A*e^(θ cot(α))
等角螺線在推導過程有用到自然對數,所以也稱為對數螺線。(由 ln f(θ)= θ cot(α) + 常數 ln A ,求得f(θ)=A*e^(θ cot(α)))
等角螺線有一個很特別的性質,就是將其中一部分同比例縮小或放大,一定可以在螺線上找到同樣大小的一段。
譬如,如果把螺線放大m倍,螺線的極座標方程式變成 r=m* A*e^(θ cot(α)),我們永遠可以找到一個實數Φ,使得m=e^Φcot(α),代入r=m*A*e^(θ cot(α)),
r=A*e^((θ+Φ) cot(α))
這等於只是把r=A*e^(θ cot(α))這個等角螺線順時針旋轉Φ角而已,當然是全等的。
在自然界,動植物的生長速度大致會保持一樣,在往外伸展的時候,就會近似等角螺線一樣,往外生長的切線,隨時和生長的原點,巧妙地保持著一個固定的角度。這是為什麼螺、象鼻、動物的毛和角、向日葵的花、菊花,鳯梨的果,會呈現近似等角螺線的形狀了*。
*:〈等角螺線及其他〉,趙文敏,科學月刊,1989年9月237期
2022/5/26 等角螺線 Damakey

