Enredo TikZ lidando com infinitos

Question

Tenho alguns problemas ao desenhar uma imagem com o TikZ. A imagem que gostaria de obter é a seguinte:

.

Aqui está o meu código:

\documentclass[10pt]{article}
\usepackage{pgf,tikz}
\usetikzlibrary{positioning,patterns}
\pagestyle{empty}
\begin{document}
\begin{tikzpicture}[scale=2]
\clip(0,0) rectangle (6,6);
\draw[thick] (3.,3.) circle ({pi/2});
\pgfmathsetmacro{\x}{1};
\draw[thick,pattern=north west lines, pattern color=black] (3.,3.) circle ({rad(atan(\x))});
\begin{scope}[shift={(3,3)}]
\foreach \z in {0.5,1,2,3}
\draw [variable=\y,domain=-\z+0.001:\z-0.001] plot ({deg(\y)+90}:{rad(atan( (\x*(1-(cosh(\x*\y)/cosh(\x*\z))^2)^(-0.5)))});
\end{scope}
\end{tikzpicture}
\end{document}

O que eu obtenho é

Eu tenho dois problemas:

• Tenho infinitos em meu cálculo. Isso causou todos os tipos de problemas, então restringi o domínio no gráfico para não incluir o ponto singular (que então é mapeado para um valor finito pela função arctan). Porém, desta forma não consigo chegar ao valor adequado e os gráficos não tocam o círculo externo.
• As linhas do enredo não são suaves.

Todas as ideias sobre como resolver isso?

Answer 1

Demora um pouco para compilar, mas parece que chega perto. Usei pgfplots para lidar com problemas de plotagem e infinito, etc. Ele já fornece um polaraxisambiente, portanto não há necessidade de trabalho extra. Você também pode invocar uma diretiva gnuplot para obter mais precisão. Eu recomendaria fortemente alterar o mapa de cores. Até o Matlab finalmente parou de usá-lo em 2014b.

\documentclass{standalone}
\usepackage{pgfplots}
\usetikzlibrary{patterns,pgfplots.polar}
\begin{document}
\begin{tikzpicture}
\begin{polaraxis}[samples=200,grid=none,enlargelimits=false,
                  xtick=\empty,ytick=\empty,axis y line={none}]
 \pgfmathsetmacro{\x}{1};
 \pgfplotsinvokeforeach{0.15,0.3,...,3,pi}{
 \addplot[mesh,domain=-#1+1e-3:#1-1e-3,variable=\y,
          point meta=12-\plotnumofactualtype, % For color match
          point meta max=30] 
         ({deg(\y)+90},{rad(atan( (\x*(1-(cosh(\x*\y)/cosh(\x*#1))^2)^(-0.5)))});}
\end{polaraxis}
\end{tikzpicture}
\end{document}

Answer 2

Esta é uma lição de trapaça (você pode ver meus comentários), não uma solução real.

\documentclass[varwidth,border=50]{standalone}
\usepackage{tikz}
\usetikzlibrary{positioning,patterns}

\begin{document}
  \begin{tikzpicture}[scale=2]
    \clip (3.,3.) circle ({pi/2 - .05});
    \pgfmathsetmacro{\x}{1};
    \draw[thick,pattern=north west lines, pattern color=black] (3.,3.) circle ({rad(atan(\x))});
    \begin{scope}[shift={(3,3)}]
      \foreach[evaluate=\z as \c using .3*\z] \z in {.1,.3,...,3,3.14} {
        \definecolor{currentcolor}{hsb}{\c,1,1}
        \draw [variable=\y,domain=-\z+0.001:\z-0.001, smooth, samples=100, currentcolor] 
        plot ({deg(\y)+90}:{rad(atan( (\x*(1-(cosh(\x*\y)/cosh(\x*\z))^2)^(-0.5)))});
      }
    \end{scope}
    \draw[very thick] (3.,3.) circle ({pi/2 - .059});
  \end{tikzpicture}
\end{document}

EDITAR:E aqui está uma solução real atan2para evitar problemas de infinito.

\documentclass[varwidth,border=50]{standalone}
\usepackage{tikz}
\usetikzlibrary{patterns}

\begin{document}
  \begin{tikzpicture}[scale=2]
    \draw[thick,pattern=north west lines, pattern color=black] circle (pi/4);
    \foreach[
      evaluate=\z as \c using \z/180,
      evaluate=\z as \chz using cosh(rad(\z))]
      \z in {10, 20, ..., 180} {
        \definecolor{currentcolor}{hsb}{\c,1,1}
        \draw [variable=\y,domain=-\z:\z, smooth, samples=100, currentcolor]
            plot({\y + 90} : {rad(atan2(\chz, sqrt((\chz)^2 - (cosh(rad(\y)))^2)))});
      }
    \draw[very thick] circle (pi/2);
  \end{tikzpicture}
\end{document}