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各种艺术作品的底层到底是什么原理?(一)

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你是一个画家,

会画画。

但是,

今天没灵感,

就画了一个房子+太阳+草地。



但是,

不立体。

我们生活在3D世界,

那么,

你把房子再加几条线,

就立体了。



其实今天说的就这么多东西。

但是,

为啥这样一画

就出现了这么多的神奇的东西??

回到刚刚的2D图,

不对,

先看这里有条线,

上面有几个点,



那么,

给这条线一个箭头,

并规定一个点为0,

右边就是1,2,3,4,5,

是不是你们初中学的数轴?



刚刚每个点都有数学位置了,

这个数学位置就叫做坐标。

只不过这里只有一个轴,

上面的点的坐标用一个数就能表示。

那么,

再来一轴,

向上,

就是你们初中学的平面直角坐标系,



其中有4个象限,

分别如图:



那么每个点就能用两位数表示坐标。

同时,

也说一个很神奇的东西,

看到这里有两个点,

如果这个点要到下一个点,

就要移动。



其中移动的位置和大小组成的量叫做位移,

其中位移你有没有发现,

刚好是横坐标差和纵坐标差,

这个玩意有两位。

因为有两位,

它就同时存储了大小,

还有方向。

所以这个位移是向量。

(下文里图片里向量表示为子母上面有箭头,

文字里都用加粗代替)

向量就是指有大小有方向的量。

大小用勾股定理算一下就行了。

不会?

如图所示的直角三角形中,



a,b都是直角边,

c是斜边。

a²+b²=c²。

同时也先说一件事,

在直角三角形里,

看到这里有个角,



这个角的对边和直角三角形的斜边的比

就是这个角的正弦,

写成sin。

sin∠A=a/c。

如果是这个角的邻边和

直角三角形的斜边的比就是

这个角的余弦,

写成cos。

cos∠A=b/c。

如果是对边和邻边的比就是

这个角的正切,写成tan。

tan∠A=a/b。

只不过,

我们看到这里有个圆,

半径为1。



那么,

你会发现,

这样一做,

刚好夹角为θ的射线

和圆的交点的坐标就是(cosθ,sinθ)。



当然tanθ=sinθ/cosθ。

同时也能得到

sin²θ+cos²θ=1。

所以,

你可以用这个圆做出一条sinθ和θ关系的图像,

以横坐标为θ,

纵坐标为sinθ,

发现是波浪线。



(一般来说π=180°)

同时还通过这个圆得到一些特殊规律,

sin(θ)=-sin(-θ),

cos(θ)=cos(-θ),

sin(θ±π)=-sin(θ),

cos(θ±π)=-cos(θ),

回到正题,

看到这里有个向量,

假如说一个向量向上,

一个向量向右,

那么相加,

相当于你同时向上和向右走,

就是向右上方走。



这个就是向量的加减法,

看到这两个向量一个是(1,0),

还有一个向量是(0,1),

加在一起就是每一位相加,

(1,0)+(0,1)=(1+0,0+1)=(1,1)。

同时,

如果是这样,

你又往右走了,

你发现了移动到这里,



这时候你发现了,

刚好你从原点到这里,

可以通过走近的路到达,

这个就是三角形法则。

同时向量是可以移动的,

把向量移动到下面,

做个平行四边形的图,

这个就是平行四边形法则。



同时,

向量乘一个数,

就是对向量长度进行缩放。

这个叫做向量的数乘。



如果两个向量乘在一起,

分为点乘和叉乘。

首先说点乘,

你用绳子匀速拉着一个物体,

你斜向上给它拉力F,

拖拽了x米。



那么力和距离都是向量,

那么相当于对物体做了F·x cosθ的功,

夹角是θ。



你发现了,

要乘个cosθ,

虽然你给它斜向上的力,

但是实际上物体只向右移动,

没有向上,

所以,

只考虑同方向,

所以向量点乘a·b=

a长度·b长度·cos(ab向量夹角)。

叉乘等一下再说。

如果在坐标上,

两个向量点乘就是逐位相乘再相加。

例如a是(1,2),

b是(2,3),

a·b=1×2+2×3。

那么,

你的画就能用坐标表示出来了。



这里也先说个东西,

看到这里有个东西叫做sin(θ),

这个玩意叫做三角函数,

那么函数就是f(x),

输入一个数字,

经过f捣鼓,

就返回值。

其中输入值可取范围是定义域,

输出值可取范围是值域,

例如sin的值域就在-1到1之间。

但是说明一下,

一个输入值只能对应一个输出。

例如f(1)=2,

但不能f(1)=2、3等多个值。

回到正题,

你给房子加了几条线后,

房子就立体了。



很简单,

你从二维空间走向了三维空间。

三维空间,

你在刚刚的x,y轴所在的平面

画了一条垂直的线。

这个就是所谓的z轴。



那么,

(本文章使用右手坐标系)

看到这里有个空间直角坐标系。

那么和平面坐标的区别,

就是空间坐标系有3位。

向量运算公式基本一样。

接下来说一下区别,

首先这个玩意和平面直角坐标系不一样,

一个空间被3根轴分成了8个空间,

这8个空间就是8个卦限。

其中z大于0时,

这个区域和四个象限划分差不多,



z小于0时,

长这样。



这时候也说一下向量的叉乘,

以两个在xy平面上的向量为例,

求这两个向量的叉乘

方向就是这两个向量构成的平面

平面所对应的垂线,



其中如果是a×b可以用右手螺旋定则得到

它的具体方向。



(虽然电磁学,气象学

等多个领域都是右手螺旋定则,

但是都不要搞混了)

大小就是a的长度*b的长度*sin夹角。

如果要它的坐标计算公式,

设a为(x₁,y₁,z₁),b为(x₂,y₂,z₂),

那么结果a×b=

(y₁z₂-y₂z₁,z₁x₂-z₂x₁,x₁y₂-x₂y₁)

那么,

既然向量能数乘(缩放),

也能加减法(坐标移动),

应该也能旋转?

这个,有点难度,

下次说。

所以,

你现在发现了,

你的房子上面有窗户,

可以通过移动旋转缩放的方式调节样式,

然而这个调节样式底层过程

就是向量的运算。



同时,

既然,

刚刚说过,

从数轴,发展到平面,再发展到空间,

对应的就是一维空间,

二维空间,三维空间,



那么一维空间的别称就是一次元,

后面的,我不想说了。

了解一下,

元和次分别是什么?

以2x+3y为例子,

看到有2个参数,

每个参数就是元,

所以这个玩意就是二元。

如果是x²,

看到x²=x·x,

或者xy=x·y,

两个参数乘起来,

相当于乘了2次,

这个就是二次。

那么,

三维向量在坐标图上有3个分量,

也可以叫做三元向量。

但是算一个区域的体积,

需要xyz乘起来,

变成3次。

那么应该三维空间后面还有四维空间?

理论上有,

分为两种,

一种说第四根轴是时间,

可以用于计算相对论。





另一种说第四根轴是w坐标,

数学上能算,

物理上想不出来。



上面的这个三维坐标就是基于

笛卡尔坐标系做出来的。

这个就是物体的位置,

每个物体都有它所在的位置。

其中这个空间就是

基于这些坐标变换,

物体在单位时间移动了一个距离,

那么物体的速度就是距离/时间。

同时速度也会变化,

单位时间内速度变化量就是加速度。

同理加速度的变化量就是加加速度。

接下来就是物体的运动物理了。

接下来看一下今天的内容关系图:




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