第4章曲线和曲面 (2)优秀课件.ppt
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1、第第4章曲线和曲面章曲线和曲面(2)1第1页,本讲稿共94页第一节第一节第一节第一节 曲线和曲面表示的基础知识曲线和曲面表示的基础知识曲线和曲面表示的基础知识曲线和曲面表示的基础知识 n n曲线和曲面参数表示曲线和曲面参数表示 显式表示显式表示隐式表示隐式表示3第3页,本讲稿共94页上述表示法的缺点:上述表示法的缺点:1.1.与坐标轴相关,不便于进行坐标变换;与坐标轴相关,不便于进行坐标变换;2.2.会出现斜率为无穷大的情况;会出现斜率为无穷大的情况;3.3.难以灵活地构造复杂的曲线、曲面;难以灵活地构造复杂的曲线、曲面;4.4.非参数的显示方程非参数的显示方程y=f(x)只能描述平面曲线,只
2、能描述平面曲线,空间曲线必须定义为两张柱面空间曲线必须定义为两张柱面y=f(x)与与z=g(x)的交的交线,无法用统一的形式表示空间曲线和曲面;线,无法用统一的形式表示空间曲线和曲面;5.5.表示多值函数表示多值函数困难。困难。4第4页,本讲稿共94页 在在空空间间曲曲线线的的参参数数表表示示中中,曲曲线线上上每每一一点点的的坐坐标标均均要要表表示示成成某某个个参参数数t t的的一一个个函函数数式式,则则曲曲线上每一点笛卡尔坐标参数式是:线上每一点笛卡尔坐标参数式是:把把三三个个方方程程合合写写到到一一起起,曲曲线线上上一一点点坐坐标标的的矢量表示是:矢量表示是:5第5页,本讲稿共94页关于参
3、数关于参数t t的切矢量或导函数是:的切矢量或导函数是:曲面写为参数方程形式为曲面写为参数方程形式为:曲线的某一部分,可以简单地用曲线的某一部分,可以简单地用atb界定它的界定它的范围,范围,通常经过对参数变量的规格化,使通常经过对参数变量的规格化,使t在在0,1闭区间内变化,写成闭区间内变化,写成t0,1,对此区间内的参数曲,对此区间内的参数曲线进行研究。线进行研究。6第6页,本讲稿共94页例题:参数表示的直线段例题:参数表示的直线段 端点坐标分别是端点坐标分别是P1x1,y1,P2x2,y2,直线段的参数表达式是:直线段的参数表达式是:P(t)=P1+(P2-P1)t=(1-t)P1+tP
4、2 0t1;参数表示相应的参数表示相应的x,y坐标分量是:坐标分量是:x(t)=x1+(x2-x1)t y(t)=y1+(y2-y1)t 0t1 7第7页,本讲稿共94页空间直线段:空间直线段:P1x1,y1,z1,P2x2,y2,z2 P(t)代表曲线上的一点代表曲线上的一点P(t)=P1+(P2-P1)t=(1-t)P1+tP2 8第8页,本讲稿共94页参数方程具有如下优点参数方程具有如下优点:(1)(1)对非参数方程表示的曲线、曲面进行变换,对非参数方程表示的曲线、曲面进行变换,必须对曲线、曲面上的每个型值点进行几何必须对曲线、曲面上的每个型值点进行几何变换;变换;对参数表示的曲线、曲面
5、可对其参数对参数表示的曲线、曲面可对其参数方程直接进行几何变换(如平移、比例、旋方程直接进行几何变换(如平移、比例、旋转)。转)。(2)(2)便于处理斜率为无限大的问题。便于处理斜率为无限大的问题。(3)(3)有更大的自由度来控制曲线、曲面的形状。有更大的自由度来控制曲线、曲面的形状。具有很强的描述能力和丰富的表达能力。具有很强的描述能力和丰富的表达能力。9第9页,本讲稿共94页(4)(4)参数方程中,代数、几何相关和无关的变量是参数方程中,代数、几何相关和无关的变量是完全分离的,而且对变量个数不限,便于用户把低完全分离的,而且对变量个数不限,便于用户把低维空间中的曲线、曲面扩展到高维空间去。
6、维空间中的曲线、曲面扩展到高维空间去。(5)(5)规格化的参数变量规格化的参数变量t t0,1,0,1,使其相应的几何分使其相应的几何分量是有界的,而不必用另外的参数去定义其边界。便量是有界的,而不必用另外的参数去定义其边界。便于曲线和曲面的分段、分片描述。易于实现光顺连接。于曲线和曲面的分段、分片描述。易于实现光顺连接。(6)(6)易于用矢量和矩阵表示几何分量,计算处理简便易于用矢量和矩阵表示几何分量,计算处理简便易行。易行。10第10页,本讲稿共94页n n 基本概念基本概念 曲线和曲面可以分为两类。曲线和曲面可以分为两类。一类要求通过事先给定的离散的点,称为一类要求通过事先给定的离散的点
7、,称为是是插值的曲线或曲面插值的曲线或曲面。另一类不要求通过事先给定的各离散点,而另一类不要求通过事先给定的各离散点,而只是用给定各离散点形成的控制多边形来控制只是用给定各离散点形成的控制多边形来控制形状,称为是形状,称为是逼近的曲线或曲面逼近的曲线或曲面。事先给定的离散点常称为事先给定的离散点常称为型值点型值点,由型值,由型值点求插值的或逼近的曲线或曲面的问题,称为点求插值的或逼近的曲线或曲面的问题,称为是是曲线或曲面的拟合问题曲线或曲面的拟合问题。11第11页,本讲稿共94页n n插插值值(interpolation)要要求求构构造造一一条条曲曲线线顺顺序通过型值点,称为对这些型值点进行插
8、值。序通过型值点,称为对这些型值点进行插值。n n逼近逼近(approximation)构造一条曲线,使它构造一条曲线,使它在某种意义上最佳逼近这些型值点,称之为在某种意义上最佳逼近这些型值点,称之为对这些型值点进行逼近。对这些型值点进行逼近。12第12页,本讲稿共94页给定函数给定函数f(x)f(x)在区间在区间a,ba,b中互异的中互异的n n个点的值个点的值f(xf(xi i),),i=1,2,n,i=1,2,n,基于这些数据寻找某一个函数基于这些数据寻找某一个函数,要求,要求 ,为为f(x)f(x)的插值函数,的插值函数,x xi i为插值节点。为插值节点。(1)(1)线性插值线性插值
9、设已知函数设已知函数f(x)在两个不同点在两个不同点x1,x2的值,的值,y1=f(x1),y2=f(x2),用线性函数,用线性函数 近似代替近似代替y=f(x),选择选择a,b使使 ,则称,则称 为为f(x)的线性插值函数。的线性插值函数。(2)(2)抛物线插值抛物线插值(二次插值)二次插值)设已知设已知f(x)在三个互异点在三个互异点x1,x2,x3的函数值为的函数值为y1=f(x1),y2=f(x2),y3=f(x3),要求构造函数要求构造函数 在节点在节点xi处有处有 ,称,称 为为f(x)的二次插值。的二次插值。13第13页,本讲稿共94页逼近常用方法逼近常用方法 最小二乘法最小二乘
10、法假设已知一组型值点假设已知一组型值点(xi,yi),i=1,2,n,要求构造一个要求构造一个m(mn-1)次多项式函数次多项式函数y=F(x)逼近这些型值点。逼近这些型值点。偏差的平方和最小:偏差的平方和最小:加权平方和最小:加权平方和最小:令令F(x)F(x)为一个为一个m m次多项式次多项式 最小二乘法就是定出最小二乘法就是定出ai i使偏差平方和最小。使偏差平方和最小。14第14页,本讲稿共94页n n 参数连续性参数连续性 一函数在某一点一函数在某一点x0处具有相等的直到处具有相等的直到k阶阶的左右导数,称它在的左右导数,称它在x0处是处是k次连续可微的次连续可微的,或称它在或称它在
11、x0处是处是k阶连续的阶连续的,记作,记作Ck。几何上。几何上C0、C1、C2依次表示该函数的图形、切线方依次表示该函数的图形、切线方向、曲率是连续的。向、曲率是连续的。由于参数曲线的可微性与所取参数有关,由于参数曲线的可微性与所取参数有关,故常把参数曲线的可微性称为故常把参数曲线的可微性称为参数连续性参数连续性。15第15页,本讲稿共94页n n 几何连续性几何连续性 两曲线段的相应的弧长参数化在公共连接两曲线段的相应的弧长参数化在公共连接点处具有点处具有Ck连续性,则称它们在该点处具有连续性,则称它们在该点处具有k阶几何连续性,记作阶几何连续性,记作Gk。零阶几何连续。零阶几何连续G0与零
12、与零阶参数连续阶参数连续C0是一致的。一阶几何连续是一致的。一阶几何连续G1指一指一阶导数在两个相邻曲线段的交点处成比例,即阶导数在两个相邻曲线段的交点处成比例,即方向相同,大小不同。二阶几何连续方向相同,大小不同。二阶几何连续G2指两个指两个曲线段在交点处其一阶和二阶导数均成比例。曲线段在交点处其一阶和二阶导数均成比例。16第16页,本讲稿共94页曲线段间曲线段间C1、C2和和G1、G2连续性定义连续性定义 1.Q1(1)=Q2(0),则则Q1(t)和和Q2(t)在在P处有处有C0和和G0连续性;连续性;2.Q1(1)和和Q2(0)在在P处重合,且其在处重合,且其在P点处的切矢量方向点处的切
13、矢量方向 相同,大小相等,则相同,大小相等,则Q1(t)和和Q2(t)在在P处有处有C1连续性;连续性;3.Q1(1)和和Q2(0)在在P处重合,且其在处重合,且其在P点处的切矢量方向点处的切矢量方向 相同,大小不等,则相同,大小不等,则Q1(t)和和Q2(t)在在P处有处有G1连续性;连续性;4.Q1(1)和和Q2(0)在在P处已有处已有C0和和C1连续,且连续,且Q”1(1)和和 Q”2(0)大小方向均相同,则大小方向均相同,则Q1(t)和和Q2(t)在在P处有处有C2连连 续性;续性;5.Q1(1)和和Q2(0)在在P处已有处已有G0和和G1连续,且连续,且Q”1(1)和和 Q”2(0)
14、方向相同但大小不等,则方向相同但大小不等,则Q1(t)和和Q2(t)在在P处处 有有G2连续性;连续性;6.推推广广之之,Q1(1)和和Q2(0)在在P处处已已有有C0、C1、Cn1连连续续,若若Q(n)1(1)和和Q(n)2(0)在在P处处大大小小和和方方向向均均相相同同,则则说说Q1(t)和和Q2(t)在在P处具有处具有Cn连续性。连续性。17第17页,本讲稿共94页18第18页,本讲稿共94页19第19页,本讲稿共94页n n 光顺光顺 光顺(光顺(smoothness)是指曲线的拐点不能太多,)是指曲线的拐点不能太多,要光滑顺畅。对于平面曲线相对光顺的条件应要光滑顺畅。对于平面曲线相对
15、光顺的条件应该是:该是:(1 1)具有二阶几何连续)具有二阶几何连续(G2);(2 2)不存在多余拐点和奇异点;)不存在多余拐点和奇异点;(3 3)曲率变化较小。)曲率变化较小。20第20页,本讲稿共94页第二节第二节 Hermite多项式多项式 已知函数已知函数f(t)在在k+1个点个点ti处的函数值和处的函数值和导数值导数值f(j)(ti),i=0,1,k,j=0,1,mi-1,要求确定一个要求确定一个N=m0+m1+mk-1次的多次的多项式项式P(t),满足下面的插值条件:,满足下面的插值条件:多项式多项式P(t)就是对于函数就是对于函数f(t)的的Hermite插插值多项式。数学上已经
16、证明,这样的多项式是值多项式。数学上已经证明,这样的多项式是存在且唯一的。存在且唯一的。21第21页,本讲稿共94页共计N=m0+m1+m2+mk个已知条件。22第22页,本讲稿共94页 当当m0=m1=mk=1时,这个问题就是熟知时,这个问题就是熟知的的Lagrange插值插值问题,即已知问题,即已知 f(t)在在k+1个点上的个点上的函数值函数值 f(ti),求一个,求一个k次多项式使之满足次多项式使之满足 。23第23页,本讲稿共94页 设表示一条曲线的某个函数设表示一条曲线的某个函数f(t)在四点在四点t0,t1,t2,t3的函数值的函数值f(t0),f(t1),f(t2),f(t3)
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