用多邊形滾動逼近計(jì)算擺線長(繞遠(yuǎn)路系列)

此探索源于一道初中題:
如圖:

邊長為2的正方形置于地面,將正方形向前滾動一周,求點(diǎn)A運(yùn)動的軌跡總長度?
這道題本不難,先定性分析,則A先以為圓心,
為半徑轉(zhuǎn)過90°;
再以為圓心,
為半徑轉(zhuǎn)過90°;
然后以為圓心,
為半徑轉(zhuǎn)過90°;
最后還要再滾一個(gè)90°正方形才算滾完一周,只不過最后一次A點(diǎn)的位置沒有變;
綜上,總長度為

等等...這個(gè)軌跡怎么跟那啥有些像?

嗯,于是聯(lián)想到擺線
可是擺線那是圓上的一點(diǎn)呀?這可咋整捏?
于是我靈光一現(xiàn)!利用多邊形逼近可以試試!
考慮一個(gè)外接圓半徑為的正n邊形,考慮其中一頂點(diǎn)A在滾動一周時(shí)轉(zhuǎn)過的總弧長

在滾動過程中,容易發(fā)現(xiàn):
(1)對于每段圓弧,圓心均是此時(shí)位于底邊右端的那個(gè)點(diǎn),每次滾過的角均為多邊形的外角,
因此
(2)以正n邊形輪廓為參考,滾完一周,A恰好相當(dāng)于沿著正n邊形各個(gè)頂點(diǎn)"跳"了一輪
因此,半徑就等于從一個(gè)點(diǎn)出發(fā)向各個(gè)頂點(diǎn)引出的線段之和!
考慮在平面直角坐標(biāo)系中構(gòu)造圓,圓周上均勻分布著點(diǎn):
選其中一點(diǎn)向各個(gè)頂點(diǎn)引出線段,則其各段表達(dá)式為:
ps:由于i=1,2,...,n,則
,故最后一步可脫去絕對值
于是
我們需要求出后面那個(gè)數(shù)列的前n項(xiàng)和,考慮將其裂項(xiàng)!
啥?三角數(shù)列也能裂項(xiàng)?
是的,我們由和差化積公式:
于是
即
與原式待定系數(shù),有:
即
求和得:
于是
這便是滾過一周總路徑長的表達(dá)式

驗(yàn)證:以原題為例外接圓半徑
上式命n=4得:
ps:,可以用正切半角公式求,也可以用如下的幾何法:

延長等腰直角三角形一邊,延長長度等于斜邊長,然后等邊對等角得到22.5°,再用大的直角三角形可得其正切值

當(dāng)n無限大時(shí),正n邊形會趨近于圓,因此考慮取極限
換元,令,
最后這個(gè)極限可以用洛必達(dá)or泰勒展開求之,但有沒有門檻低些的求法呢?有!

其中可視為正切函數(shù)
上一點(diǎn)
與原點(diǎn)連線(割線)的斜率
當(dāng)時(shí),斜率就趨近于在(0,0)處的切線斜率,據(jù)導(dǎo)數(shù)定義,有
取倒數(shù)得:
于是
這與用積分算出的結(jié)果是一樣的!
ps:用定義推導(dǎo)擺線方程以及用積分計(jì)算的方法參考專欄:美麗的擺線及其數(shù)學(xué)原理

以下是用desmos模擬的軌跡圖:
紅線為擺線的確切軌跡,藍(lán)線為多邊形滾動一周的軌跡



由此可見時(shí)藍(lán)色軌跡就擬合于擺線!

ps:上述過程不知有無循環(huán)論證的嫌疑,若有大佬發(fā)現(xiàn)煩請指正。有一點(diǎn)值得肯定,即數(shù)學(xué)知識間的聯(lián)系是如此地美妙!數(shù)學(xué)——人類智慧的結(jié)晶!