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Mathematica绘制函数图像—隐函数图像

熟悉几何画板的网友应该能够发现,几何画板几乎不可能画出隐函数的图像。如果我们需要绘制某些隐函数的图像,应该怎么办呢?我向大家推荐两款软件:Desmos和Mathematica。        关于Desmos绘制隐函数的图像,《怎么使用Desmos绘制函数图形》里已经有了简单的讲述,感兴趣的网友可以去看看。        下面就讲一下用Mathematica画隐函数图像的具体要领,并适时地对比一下Desmos的效果。26怎么使用Desmos绘制函数图形
工具/原料
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电脑

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Mathematica(8.0以上版本)

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Desmos网页版

例一:几种未命名的曲线、曲面
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有人可能要说,画不出隐函数的图像,你可以把隐函数方程化成显函数来画呀!或者转化成参数方程的形式呀!就像椭圆的参数方程是:x=sint,y=cost,这不就把椭圆的方程的“隐函数”转化为“参数方程”了吗?        对此,我只好难为他们一下了:        请尝试着把x^y=y^x转化为“非隐函数”的形式。

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隐函数的图像,要用ContourPlot命令函数来实现。        例如:绘制x^x+y^y=5/3的图像。        Mathematica代码是:ContourPlot[x^x + y^y == 5/3, {x, 0, 1}, {y, 0, 1},  ImageSize -> {500, 500}]        注意格式:这里图形大小设定为500×500像素;方程x^x + y^y == 5/3之间的等号必须是双等号;x和y的绘图范围都要写出来。        运行以后得到的图形是下面第一个图。第二个图是用Desmos画出来的。

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其实,ContourPlot还可以绘制等高线图。ContourPlot[x^x + y^y, {x, -0.5, 2}, {y, -0.5, 2}]ContourPlot[x^x + y^y, {x, -0.1, 0.7}, {y, -0.1, 0.7}]        发现,当x^x + y^y的值过大的时候,图形不是封闭曲线。于是产生一个问题:要保证x^x + y^y=a的图像是封闭曲线,a的最大值和最小值分别是多少?

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绘制x^x + y^y + z^z ==2.3的三维图形,要用到的命令函数是ContourPlot3D。具体的格式与ContourPlot类似,唯一的区别是,多了个变量z。        代码是:ContourPlot3D[ x^x + y^y + z^z == 2.3, {x, 0, 1.1}, {y, 0, 1.1}, {z, 0, 1.1}]        结果是一个封闭的三维曲面。        一个类似的问题:要保证x^x + y^y+z^z=a的图像是封闭曲面,a的最大值和最小值分别是多少?

例二:非圆弧的等宽曲线
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有一条著名的等宽曲线,它不同于Reuleaux三角形之流。因为它不是靠许多圆弧拼成的,而是处处光滑,可以由一个隐函数方程(一个8元2次多项式)给出来。以前,我用Desmos画出来了,当时只截了个图,没有贴代码。由于方程式很长,所以,这里把代码贴出来。        Mathematica代码:ContourPlot[(x^2 + y^2)^4 - 45 (x^2 + y^2)^3 - 41283 (x^2 + y^2)^2 +    7950960 (x^2 + y^2) + 16 (x^2 - 3 y^2)^3 +    48 (x^2 + y^2) (x^2 - 3 y^2)^2 -    720^3 + (x^2 - 3 y^2) x (16 (x^2 + y^2) ^2 - 5544 (x^2 + y^2) +       266382) == 0, {x, -10, 10}, {y, -10, 10}]        Desmos代码是:0=\left(x^2+y^2\right)^4-45\left(x^2+y^2\right)^3-41283\left(x^2+y^2\right)^2+7950960\left(x^2+y^2\right)+16\left(x^2-3y^2\right)^3+48\left(x^2+y^2\right)\left(x^2-3y^2\right)^2+x\left(x^2-3y^2\right)\left(16\left(x^2+y^2\right)^2-5544\left(x^2+y^2\right)+266382\right)-720^3        对比结果如下:

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等高线图:ContourPlot[(x^2 + y^2)^4 - 45 (x^2 + y^2)^3 - 41283 (x^2 + y^2)^2 +   7950960 (x^2 + y^2) + 16 (x^2 - 3 y^2)^3 +   48 (x^2 + y^2) (x^2 - 3 y^2)^2 -   720^3 + (x^2 - 3 y^2) x (16 (x^2 + y^2) ^2 - 5544 (x^2 + y^2) +      266382), {x, -10, 10}, {y, -10, 10}]        可以发现,当代码里的式子变大,就不是等宽曲线了(变小时,不能肯定)。于是有一个问题,怎么证明上面步骤里的曲线是等宽曲线?我不会,留着慢慢解答。

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关于等宽曲线的其它内容,参考《等宽曲线的理解和构造》。

ContourPlot(3D)各类选项
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去掉坐标轴,用Axes->False;        去掉边框,用Frame->False;        ContourStyle 决定等高线的外形特征。        例如:ContourPlot[x^x + y^y == 5/3, {x, 0, 1}, {y, 0, 1},  ContourStyle -> {Blue, Thickness[0.01]}, Axes -> False,  Frame -> False, ImageSize -> {500, 500}]        这是一条蓝色的曲线,宽度为0.01。

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PlotLabel  给图形添加标签,一般位于顶部;        LabelStyle 决定标签的外观特征。        把上面的代码加以修改:ContourPlot[x^x + y^y == 5/3, {x, 0, 1}, {y, 0, 1},  ContourStyle -> {Blue, Thickness[0.01]}, Axes -> False,  Frame -> False, PlotLabel -> Style[x^x + y^y == 5/3, 20],  LabelStyle -> Directive[Bold, Blue], ImageSize -> {500, 500}]        于是,图形上边有了一个标签。

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Ticks 给出坐标轴的具体刻度值。用“非圆弧等宽曲线”为例,分“有坐标轴”和“没有坐标轴”两类。        “有坐标轴”的代码:F[x_, y_] := (x^2 + y^2)^4 - 45 (x^2 + y^2)^3 - 41283 (x^2 + y^2)^2 +    7950960 (x^2 + y^2) + 16 (x^2 - 3 y^2)^3 +    48 (x^2 + y^2) (x^2 - 3 y^2)^2 -    720^3 + (x^2 - 3 y^2) x (16 (x^2 + y^2)^2 - 5544 (x^2 + y^2) +       266382);ContourPlot[F[x, y] == 0, {x, -10, 10}, {y, -10, 10},  ContourStyle -> {Blue, Thickness[0.01]}, Axes -> True,  Frame -> False, Ticks -> {{-10, 6, 8}, {0, 1, 6}},  PlotLabel -> F[x, y] == 0, AspectRatio -> Automatic]        “没有坐标轴”的代码:ContourPlot[F[x, y] == 0, {x, -10, 10}, {y, -10, 10},  ContourStyle -> {Blue, Thickness[0.01]}, Axes -> False,  Frame -> False,  PlotLabel -> F[x, y] == 0, AspectRatio -> Automatic]        这里出现一个问题:用Mathematica给图形添加标签,如果标签特别长,如下图那样不能完整显示,应该怎么办?

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用虚线作为等高线,ContourStyle->Dashed;        等高线完全透明,ContourStyle->None。        代码两个:ContourPlot[F[x, y], {x, -10, 10}, {y, -10, 10},  ContourStyle -> Dashed]        和ContourPlot[F[x, y], {x, -10, 10}, {y, -10, 10},  ContourStyle -> None]

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Contours 确定等高线的密集程度。ContourPlot[F[x, y], {x, -10, 10}, {y, -10, 10},  ContourStyle -> Dashed, Contours -> 20]        和ContourPlot[F[x, y], {x, -10, 10}, {y, -10, 10},  ContourStyle -> None, Contours -> 20]

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绘制3D曲面的时候,不想要网格线,可以Mesh->None;        如果有网格线,那么MeshStyle确定网格线的模样。        代码是ContourPlot3D[ x^x + y^y + z^z == 2.3, {x, 0, 1.1}, {y, 0, 1.1}, {z, 0, 1.1},  Axes -> False, Mesh -> None, PlotLabel -> Style[怎么能把外框去掉, Red, 30],  ColorFunction -> Function[{x, y, z}, Hue[x + y + z]]]        和ContourPlot3D[ x^x + y^y + z^z == 2.3, {x, 0, 1.1}, {y, 0, 1.1}, {z, 0, 1.1},  Axes -> False,  PlotLabel -> Style[怎么能把外框去掉, Red, 30],  MeshStyle -> Dashed, Mesh -> 5,  ColorFunction -> Function[{x, y, z}, Hue[x + y + z]]

注意事项
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提出几个问题,留给兴趣相投的网友:

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要保证x^x + y^y=a的图像是封闭曲线,a的最大值和最小值分别是多少?

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要保证x^x + y^y+z^z=a的图像是封闭曲面,a的最大值和最小值分别是多少?

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怎么证明(x^2 + y^2)^4 - 45 (x^2 + y^2)^3 - 41283 (x^2 + y^2)^2 +7950960 (x^2 + y^2) + 16 (x^2 - 3 y^2)^3 +48 (x^2 + y^2) (x^2 - 3 y^2)^2 - 720^3 + (x^2 - 3 y^2) x (16 (x^2 + y^2) ^2 - 5544 (x^2 + y^2) +266382) = 0的曲线是等宽曲线?

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怎么把一个隐函数方程转化为参数方程?

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处处光滑的等宽曲线,都有哪一些?

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用Mathematica给图形添加标签,如果标签特别长而不能完整显示,应该怎么办?

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Mathematica图形的标签里面,能不能有“?问号”?

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