费马螺线Fermat Spiral
双臂螺线 r² = a²θ,越向外圈越密——向日葵种子排布背后的图案。
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公式与关键数值
- 极坐标方程
- 面积 · 同一支相邻两圈之间的每一环
a 是比例常数(图中 a = 1);θ ≥ 0,正负号各画一支。
01 · 定义
什么是费马螺线?
费马螺线采用平方根生长律 r = a√θ,由费马于 1636 年提出。半径增长越来越慢,因此外圈一圈比一圈更靠近内圈——与对数螺线的观感正好相反。取平方根的正负两支,得到在原点平滑相接的两条臂,把平面分成两块全等且互相咬合的区域。
它最出名的应用是等面积排布:Vogel 在 1979 年提出的向日葵模型把第 n 颗种子放在 r = √n 处、相邻种子夹黄金角 137.5°,使圆盘被均匀填满。如今一些聚光太阳能电站的定日镜也采用同样的布局。
02 · 性质
关键性质
- 相邻两圈之间的每个环带面积相同——这是种子均匀排布的关键。
- 完整曲线(正负两支)在原点处光滑,没有尖点。
- 它是抛物型螺线族 r^n = aⁿθ 中 n = 2 的特例。
- 圈距随生长按 1/√θ 收缩。
- Vogel 模型:r = c√n、θ = n × 137.5°,可复现向日葵花盘。
03 · 问答
关于费马螺线的常见问题
- 费马螺线的方程是什么?
- 极坐标方程:r^2 = a^2θ,r = ± a√θ。a 是比例常数(图中 a = 1);θ ≥ 0,正负号各画一支。
- 费马螺线的面积是多少?
- 面积(同一支相邻两圈之间的每一环):A = 2π^2 a^2。a 是比例常数(图中 a = 1);θ ≥ 0,正负号各画一支。
04 · 奇观
在数学奇观里看它
05 · 继续探索