问题

f(x)=sin(x), x∈[0, π/2] 是不是某个椭圆的一部分?

回答
要回答这个问题,我们得仔细琢磨一下“椭圆的一部分”这个说法,以及函数 $f(x) = sin(x)$ 在定义域 $x in [0, pi/2]$ 上的图像。

首先,我们先回顾一下椭圆的定义。一个椭圆,在二维平面上,它的标准方程通常是这样的形式:

$frac{(xh)^2}{a^2} + frac{(yk)^2}{b^2} = 1$

这里 $(h, k)$ 是椭圆的中心,$a$ 和 $b$ 分别是半长轴和半短轴的长度(或者反过来,取决于哪一个更大)。这个方程描述的是一个闭合的、光滑的曲线,它具有对称性。无论我们如何选择 $x$ 和 $y$ 的值,只要它们满足这个方程,我们就会落在椭圆的边界上。

现在来看看 $f(x) = sin(x)$ 在 $x in [0, pi/2]$ 上的图像。
当 $x=0$ 时,$f(0) = sin(0) = 0$。所以图像从点 $(0, 0)$ 开始。
当 $x=pi/2$ 时,$f(pi/2) = sin(pi/2) = 1$。所以图像结束于点 $(pi/2, 1)$。

在 $[0, pi/2]$ 这个区间内,$sin(x)$ 函数是单调递增的。它的图像看起来是这样的:从原点 $(0,0)$ 开始,向上弯曲,最终到达点 $(pi/2, 1)$。整个图像是连续的、光滑的,并且是开口向上的。

那么,它是不是“椭圆的一部分”呢?这取决于我们如何理解“一部分”。

从数学方程的严谨性来看,它不是一个标准意义上的椭圆的一部分。

为什么这么说呢?
1. 方程形式不同: 椭圆的标准方程是 $x$ 和 $y$ 的二次方程。而 $sin(x)$ 函数涉及到三角函数,这在代数上是“超越的”,不是简单的多项式关系。你无法通过简单的代数操作,把 $y = sin(x)$ 的形式转换成上面那个椭圆的标准方程。换句话说,如果我们要用一个关于 $x$ 和 $y$ 的方程来描述 $y=sin(x)$ 的图像,那将是一个非常复杂的、通常不被称为“椭圆方程”的形式,可能涉及隐函数或者级数展开。

2. 对称性不同: 椭圆通常具有很好的对称性,比如关于中心、关于长轴和短轴的对称。而 $sin(x)$ 函数虽然在周期内有对称性,但它在 $[0, pi/2]$ 这个区间上的图像并没有表现出与标准椭圆相似的对称结构。例如,如果以某个点为中心进行对称,$sin(x)$ 在 $[0, pi/2]$ 的图像并不是旋转180度后能与自身重合的。

3. 闭合性: 椭圆是一个闭合的曲线。而 $y = sin(x)$ 在 $[0, pi/2]$ 的图像是一个开放的曲线段,它有两个端点 $(0,0)$ 和 $(pi/2, 1)$。你不能通过连接这两个点形成一个椭圆。

但是,如果我们从一个更宽松的、视觉上的或者近似的角度来考虑,那么答案可能就不是那么绝对。

在 $x in [0, pi/2]$ 的区间里,$y = sin(x)$ 的图像看起来确实是“弯曲的”,并且有一个大致的“凸起”的感觉,这和椭圆的形状有那么一点点相似之处。

我们来尝试一个近似的说法。有没有可能拟合出一个椭圆的一部分来近似它?
比如,我们可以找到一个椭圆,让它通过 $(0,0)$ 和 $(pi/2, 1)$ 这两个点,并且在某个区间内尽量靠近 $y=sin(x)$ 的图像。

例如,我们可以考虑一个以原点为中心的椭圆,方程可能是 $frac{x^2}{a^2} + frac{y^2}{b^2} = 1$。
如果我们想让它通过 $(0,0)$ 和 $(pi/2, 1)$,代入后会发现,如果通过 $(0,0)$,那么 $0=1$,这是不可能的。
所以,我们需要一个偏移的椭圆。

考虑一个方程形式为 $frac{(xh)^2}{a^2} + frac{(yk)^2}{b^2} = 1$ 的椭圆。
我们想要它通过 $(0,0)$ 和 $(pi/2, 1)$。
比如,我们可以尝试一个在 $y$ 方向上被“压扁”一点的圆弧。
如果是一个圆,方程是 $(xh)^2 + (yk)^2 = r^2$。
如果我们考虑一个以 $(0, 0)$ 为圆心,半径为 $R$ 的圆,方程是 $x^2 + y^2 = R^2$。那么 $y = sqrt{R^2 x^2}$。这个图像是四分之一圆的一部分,它的弯曲方式和 $sin(x)$ 是不一样的。 $sin(x)$ 在 $x=0$ 附近增长得比较慢,然后速度加快,在 $x=pi/2$ 附近增长又变慢。而圆的曲率是恒定的。

但是,如果我们考虑参数方程,事情可能会更有趣一些。
标准的椭圆参数方程是:
$x = h + a cos(t)$
$y = k + b sin(t)$

能不能找到一个参数 $t$ 的范围,使得这段椭圆弧看起来像 $sin(x)$ 在 $[0, pi/2]$ 的样子?
比如说,我们想要 $sin(x)$ 的图像,也就是 $y=sin(x)$。
如果我们设 $y = sin(x)$,那么 $x$ 实际上就是我们上面参数方程里的变量 $t$(或者与其成比例)。
然而,我们无法直接用这种方式代入椭圆的参数方程,因为 $x$ 和 $y$ 本身就必须满足椭圆的代数方程。

更直接地说,我们关注的函数是 $y = sin(x)$。
它不是一个关于 $x$ 和 $y$ 的二次多项式方程所描述的曲线。因此,从代数的角度来说,它不是一个椭圆或椭圆的一部分。

然而,在工程学或近似数学的语境下,有时候我们会用一个简化的模型来描述复杂的现象。
如果有人说“$sin(x)$ 在 $[0, pi/2]$ 的图像大致看起来像椭圆的一部分”,这可能指的是它光滑的弯曲形状。但这种说法很不严谨。

总结一下:

严格数学意义上: $f(x) = sin(x)$, $x in [0, pi/2]$ 的图像不是一个椭圆的一部分。它们的代数方程形式完全不同,对称性也不同。
视觉或近似意义上: 如果我们只是看它的形状,确实是光滑弯曲的,和椭圆弧有一定程度的视觉相似性。但这种相似性是肤浅的,不足以让它被称为“椭圆的一部分”。

可以这样理解:你可以通过改变椭圆的参数(中心、长短轴、旋转角度)来逼近这个 $sin(x)$ 的曲线段,但永远无法用一个标准的椭圆方程精确地描述它。它有它独特的数学性质,是超越函数而非二次曲线的一部分。

所以,如果一定要给一个答案,那就是:不是。原因在于其数学本质和方程形式与椭圆的根本区别。

网友意见

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哼!就算是计算,也要给一个逼格更高的做法喵!

我们必须要证明无论椭圆横着摆,竖着摆还是斜着摆都不能与 的那一部分重合,从这个层面,问题下已经有很多答案是伪证了。

假设真的构成二次曲线的一段,这表明存在不全为 的常数

使得 代入 在一区间内成立,这表明该区间内 的 Wronskian行列式 值为 (因为这是一个线性组合)

于是真正的过程只有一行计算,结果显然在区间内不恒为 ,于是假设不成立:

下面是原回答。


然而从证明直观性的角度,我反对那些做大量不直观复杂计算的回答(包括上面我自己的这种证明,毕竟这种证明实在是太傲娇了233),因为只要抓住特征是很容易区分二者的。好比在有限单群的研究中,单性和阶几乎唯一确定了群结构

有一个代数风格的证明和一个分析风格的证明,不需要列大量的公式,也不需要做特别复杂的计算

代数的证明竟然是一个看图的证明:前提是读者知道这么一个引理。

这可以看作二次曲线的一个防伪标记(代数上来说,二次曲线有很多防伪标记,例如随便取一个仿射特征或者射影性质都能证明原题,我们取下面这个纯粹是因为明了而且比较好证):

椭圆的任意一组平行弦的中点共线。
证明留给读者,该线也称这族平行弦关于椭圆的共轭直径。

于是我们随意画三条平行线,与曲线相截,把中点标记出来:

一看三个中点不共线,就知道这肯定是个假冒伪劣的椭圆(

注:实际上严谨的证明还是需要做数值计算hh,所谓的看图证明,其实是绘图软件为了得到精确的图形,替我们完成了大量的数值运算得到的产物。

再注:如果没有密集恐惧症(大雾),我们甚至可以使用Pascal定理来判定:

三组交点不共线

最后这幅图展示了,如果是一个椭圆,Pascal定理成立,三点应当共线。就从局部图形来看,两者形状上确实非常相似。


而真正不需要计算的分析证明是个一句话证明:曲线的切线 二阶切触;而椭圆任意的切线都是一阶切触。

注:正弦曲线在原点曲率为零。

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