在编程的世界里,我们曾以Python为画笔,绘制了旗的庄严,也以Scratch描绘了的荣光。而要在Python中精准地绘制标准,则需要运用一种在数学上被称为解析法的高级技巧。
准备工作
标准图案及分析
将置于直角坐标系中,中心点定为坐标原点(0,0)。若每个小格的边长为20单位,那么左上角的坐标为(-300, 200),的长度为600单位,高度为400单位。五星所在的区域位于第二象限,其横坐标为负值,纵坐标为正值。
五星的坐标与参数设定
设定坐标的标度,每个小格代表20单位。大五星正立放置,其中心坐标为(-200, 100),半径则为60单位,顶点坐标则延伸至(-200, 160)。
四个小五星的半径均为20单位。它们的中心坐标分别为(-100, 160)、(-60, 120)、(-60, 60)、(-100, 20)。每一个小五星与大五星中心的相对位置和方向都是严格规定的。
数学与程序设计结合
三角函数与反三角函数的应用
为了确保小五星的顶点正对大五星的中心,需要精确计算小五星顶点中心轴的方向角。这一部分的计算方法在源代码中已有简要注释说明。
程序设计详解
导入必要的库
Turtle库用于绘图操作,Math库则提供数学计算功能,特别是其中的三角函数和反三角函数,以及圆周率pi值。通过from语句导入所需部分,可以简化程序编写。
绘制的外围框架
接着是绘制大五星和四个小五星的步骤。
大五星的绘制
大五星的起始点坐标已精确给出,即上述的顶点坐标(-300, 200)。由于其他顶点并非整数坐标,需采用特定的计算方法确定起始角度和移动步数。利用Turtle的setheading()函数设置方向后,即可开始绘制。
小五星的绘制
(1)以1号小五星为例,其中心相对大五星中心的横纵长度已定,通过计算可得到绘制时所需的锐角及其正切值。在Python中,使用atan2()函数来求解角度值更为准确。
解释atan2()函数时提到,当正切值的分母为0时,普通atan()函数无法计算,而atan2()函数则可以处理这种情况,并返回正确的角度值。
使用绝对角度setheading()来设定Turtle的绘图方向,确保绘图的准确性。
(2)其余2、3、4号小五星的绘制方法与1号相似,仅起始位置和相对大五星中心的横纵长度有所不同。为了简化编程,可以将重复性的代码封装成自定义函数,提高代码的可读性和可维护性。
自定义函数的封装与应用
绘制小五星时,需要知道五角星的中心坐标、外接圆半径以及相对大五星中心的横纵长度。封装的函数应包含这些参数。
整体测试与代码完善
程序更新与测试
先通过大五星和1号小五星调用自定义函数进行测试,确保绘制的准确性和函数的正确性。
完成全部代码并设置速度
测试成功后,补全其他小五星的参数。利用speed()函数设置绘图速度,速度值范围从1到10,可以调整画线和Turtle转向的动画效果。