等值线

等高线地图可以把立体的地形绘制到平面中去,如下图所示。下面两节就来介绍下等高线地图的绘制方法,以及在其中的应用。

等高线地图

1 等值线

比如函数,其对应的曲面如下图所示,看上去比较像起伏的群山。

曲面酷似起伏的群山

函数和平面的交线为,该交线包含了该函数曲面上高度为的所有点,如下图所示。若将该交线投影到面上,并标注上,就得到了 等高线 (Contour line),其在面上的方程为

将曲面和平面的交线投影到面上,得到等高线

上下移动平面可得不同高度的等高线,比如下图中用不同颜色标注出来的等高线,最终作出 等高线图 (Contour map)。

上下移动平面可得不同的等高线,最终作出等高线图

并非总表示高度,还可以是深度、温度、价格等等,所以更一般的称 等值线 。如果引入三元函数,那么称 等值面

2 等值线的阅读

下面来阅读三个函数的等值线。如下图所示,左侧是函数的三维图像,其中有处山峰或者山谷,但有一个山谷被遮挡了。右侧就是该曲面的等值线图,相应的其中有处同心曲线,可以更清楚地反映三维图像中的起伏。

函数的三维图像

函数的等值线图

再比如下图所示,左侧是函数的图像,右侧是该函数的等值线图。该等值线没有标注高度,这意味着相邻等值线的差值都是相同的,所以中心等高线比较稀疏,这说明中心比较平坦,高度变化很小;而边缘等值线密集,说明高度变化较快,有较大的起伏。

函数的三维图像

函数的等值线图

最后比如下图所示,左侧是函数的图像,右侧是该函数的等值线图。该等值线时而紧密、时而疏松,如同波浪一样起伏、扩散。

函数的三维图像

函数的等值线图

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