贝塞尔曲线
在数学的数值分析领域中,贝塞尔曲线是计算机图形学中相当重要的参数曲线。
n 阶贝塞尔曲线的一般表示形式为:
\[ B(t) = \sum_{i=0}^{n} P_i b_{i,n}(t), t \in [0, 1] \]
其中 \(b_{i,n}(t)\) 为 n 阶的伯恩斯坦多项式,\(P_i\) 为控制点。
\begin{split} b_{i,n}(t) &= (1 - t)b_{i,n-1}(t) + tb_{i-1,n-1}(t) \newline &= \binom{n}{i} t^i (1 - t)^{n - i} \newline \binom{n}{i} &= \frac{n!}{i!(n - i)!} \end{split}为了将其展开为关于 \(t\) 的幂级数(即转换为幂基形式 \(t^j\)),我们需要对 \((1-t)^{n-i}\) 使用 二项式定理 展开。
展开 \((1-t)^{n-i}\) :
根据二项式定理 \((a+b)^k = \sum_{j=0}^k \binom{k}{j} a^{k-j} b^j\),令 \(a=1, b=-t, k=n-i\) : \[(1-t)^{n-i} = \sum_{k=0}^{n-i} \binom{n-i}{k} 1^{n-i-k} (-t)^k = \sum_{k=0}^{n-i} \binom{n-i}{k} (-1)^k t^k\]
代入原式:
\[b_{i,n}(t) = \binom{n}{i} t^i \left[ \sum_{k=0}^{n-i} \binom{n-i}{k} (-1)^k t^k \right]\]
合并 \(t\) 的幂次:
将 \(t^i\) 乘进求和符号内,令 \(j = i + k\)(即 \(k = j - i\)): \[b_{i,n}(t) = \sum_{j=i}^{n} \binom{n}{i} \binom{n-i}{j-i} (-1)^{j-i} t^j\]
最终展开公式:
\begin{split} b_{i,n}(t) &= \sum_{j=i}^{n} \left[ \binom{n}{i} \binom{n-i}{j-i} (-1)^{j-i} \right] t^j \newline &= \sum_{j=i}^{n} M_{i,j} t^j \newline M_{i,j} &= \begin{cases} \binom{n}{i} \binom{n-i}{j-i} (-1)^{j-i} & j \geq i \\ 0 & j < i \end{cases} \end{split}