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扁球面上的测地线


扁球面上的测地线可以通过解析方法计算,尽管结果表达式比简单球面的测地线要复杂得多。一个赤道半径为 a 极半径为 c 的扁球面可以用参数方程表示为

x=asinvcosu
(1)
y=asinvsinu
(2)
z=ccosv,
(3)

其中 a>c。使用二阶偏导数

(partial^2x)/(partialu^2)=-asinvcosu
(4)
(partial^2x)/(partialv^2)=-asinvcosu
(5)
(partial^2y)/(partialu^2)=-asinvsinu
(6)
(partial^2y)/(partialv^2)=-asinvsinu
(7)
(partial^2z)/(partialu^2)=0
(8)
(partial^2z)/(partialv^2)=-ccosv
(9)

得到测地线函数为

P=((partialx)/(partialu))^2+((partialy)/(partialu))^2+((partialz)/(partialu))^2
(10)
=a^2sin^2v
(11)
Q=(partialx)/(partialu)(partialx)/(partialv)+(partialy)/(partialu)(partialy)/(partialv)+(partialz)/(partialu)(partialz)/(partialv)
(12)
=0
(13)
R=((partialx)/(partialv))^2+((partialy)/(partialv))^2+((partialz)/(partialv))^2
(14)
=a^2+(c^2-a^2)sin^2v=a^2(1-e^2sin^2v),
(15)

其中

 e=sqrt((a^2-c^2)/(a^2))
(16)

离心率

由于 Q=0,且 PR 只是 v 的显式函数,我们可以使用测地线方程的特殊形式

u=c_1intsqrt(R/(P^2-c_1^2P))dv
(17)
=c_1intsqrt((a^2(1-e^2sin^2v))/(a^4sin^4v-c_1^2a^2sin^2v))dv
(18)
=intsqrt((1-e^2sin^2v)/((a/(c_1))^2sin^2v-1))(dv)/(sinv),
(19)

其中 c_1 是一个常数,取决于起点和终点。积分得到

 u=-(e^2F(phi|((d^2-1)e^2)/(d^2-e^2))-d^2Pi(d^2-1,phi|((d^2-1)e^2)/(d^2-e^2)))/(sqrt(d^2-e^2)),
(20)

其中

d=a/(c_1)
(21)
cosphi=(dcosv)/(sqrt(d^2-1)),
(22)

F(phi|m) 是参数为 m第一类椭圆积分,而 Pi(phi|m,k)第三类椭圆积分

扁球面上测地线子午线除外)在两条与赤道等距的纬度线之间波动。使用 Weierstrass sigma 函数Weierstrass zeta 函数,扁球面上的测地线可以写成

x+iy=kappa(sigma(a+u))/(sigma(u)sigma(a))e^(u[eta-zeta(omega+a)])
(23)
x-iy=kappa(sigma(a-u))/(sigma(u)sigma(a))e^(-u[eta-zeta(omega+a)])
(24)
z^2=lambda^2(sigma(omega^('')+u)sigma(omega^('')-u))/(sigma^2(u)sigma^2(a))
(25)

(Forsyth 1960, pp. 108-109; Halphen 1886-1891)。

测地线的方程可以写成以下形式

 dphi=(sqrt(1-e^2sin^2v)sina)/(sqrt(sin^2v-sin^2a)sinv)dv,
(26)

其中 a 是曲线上 v 的最小值。此外,曲线上最高纬度和次低纬度点之间的经度差为

 pi-2(sqrt(1-e^2sin^2a))/(sina)int_0^kappa(dnu-dn^2u)/(1+cot^2asn^2u)du,
(27)

其中椭圆函数椭圆模量

 k=(ecosa)/(sqrt(1-e^2sin^2a))
(28)

(Forsyth 1960, p. 446)。


另请参阅

椭球测地线, 大圆, 扁球面

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参考文献

Forsyth, A. R. 变分法 New York: Dover, 1960.Gosper, R. W. "球面测地线积分。" [email protected] 邮件列表, 1996 年 9 月 9 日.Halphen, G. H. Traité des fonctions elliptiques et de leurs applications fonctions elliptiques, Vol. 2. Paris: Gauthier-Villars, pp. 238-243, 1886-1891.Tietze, H. 数学名题:从古代到现代已解决和未解决的数学问题 New York: Graylock Press, pp. 28-29 and 40-41, 1965.

在 Wolfram|Alpha 中引用

扁球面上的测地线

引用为

Weisstein, Eric W. “扁球面上的测地线。” 来自 MathWorld——Wolfram Web 资源。 https://mathworld.net.cn/OblateSpheroidGeodesic.html

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