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東京大学 工学系研究科 2023年8月実施 数学 第4問

Author

祭音Myyura (co-authored with GPT 6 Astra)

Description

I. 二次元直交座標系において、曲線 LL

x(t)=a(tsint),y(t)=a(1cost),0t2πx(t)=a(t-\sin t),\qquad y(t)=a(1-\cos t),\qquad0\le t\le2\pi

で定義する。ただし a>0a>0 は定数とする。

  1. LL の長さを求めよ。
  2. LL 上の任意の点の曲率を求めよ。ただし t=0,2πt=0,2\pi は除く。

II. 実数の媒介変数 u,vu,v を用いて

x=sinhucosv,y=2sinhusinv,z=3coshux=\sinh u\cos v,\qquad y=2\sinh u\sin v,\qquad z=3\cosh u

と表される曲面を考える。

  1. 媒介変数を含まない式で曲面を表せ。
  2. z=5z=5 における xyxy 平面図と、y=0y=0 における xzxz 平面図の概形を描き、それぞれの軸との交点を示せ。
  3. zz 成分が正となる単位法線ベクトル n\boldsymbol nu,vu,v で表せ。
  4. u=v=0u=v=0 で与えられる点のガウス曲率を κ\kappa とする。κ|\kappa| を求めよ。

题目描述

I. 在 xyxy 平面上,曲线 LL

x(t)=a(tsint),y(t)=a(1cost),0t2π,x(t)=a(t-\sin t),\qquad y(t)=a(1-\cos t),\qquad0\le t\le2\pi,

其中 a>0a>0

  1. LL 的长度。
  2. 0<t<2π0<t<2\pi 时曲线上任意一点的曲率。

II. 曲面参数方程为

x=sinhucosv,y=2sinhusinv,z=3coshu,x=\sinh u\cos v,\qquad y=2\sinh u\sin v,\qquad z=3\cosh u,

其中 u,vRu,v\in\mathbb R

  1. 将曲面表示为不含参数的方程。
  2. 分别画出 z=5z=5 处的 xyxy 截面和 y=0y=0 处的 xzxz 截面,标出与各坐标轴的交点。
  3. u,vu,v 表示 zz 分量为正的单位法向量 n\boldsymbol n
  4. u=v=0u=v=0 处的高斯曲率为 κ\kappa,求 κ|\kappa|

Kai

I

x=a(1cost),y=asint,x2+y2=2asin(t/2).x'=a(1-\cos t),\qquad y'=a\sin t,\qquad \sqrt{x'^2+y'^2}=2a\sin(t/2).

したがって

Length(L)=02π2asin(t/2)dt=8a.\boxed{\operatorname{Length}(L)=\int_0^{2\pi}2a\sin(t/2)\,dt=8a}.

また xyyx=a2(1cost)|x'y''-y'x''|=a^2(1-\cos t) より、

κ(t)=xyyx(x2+y2)3/2=14asin(t/2)(0<t<2π).\boxed{\kappa(t)=\frac{|x'y''-y'x''|}{(x'^2+y'^2)^{3/2}}=\frac1{4a\sin(t/2)}}\quad(0<t<2\pi).

II.1、II.2

cosh2usinh2u=1\cosh^2u-\sinh^2u=1 より、曲面は

z29x2y24=1,z3.\boxed{\frac{z^2}{9}-x^2-\frac{y^2}{4}=1,\qquad z\ge3}.

z=5z=5 における断面は楕円

x2+y24=169,x^2+\frac{y^2}{4}=\frac{16}{9},

であり、両軸との交点は (±4/3,0)(\pm4/3,0)(0,±8/3)(0,\pm8/3) である。y=0y=0 の断面は

z=31+x2,z=3\sqrt{1+x^2},

であり、zz 軸とは (0,3)(0,3) で交わり、xx 軸とは交わらない。

楕円断面と双曲線の上側の枝

II.3

F=z2/9x2y2/41F=z^2/9-x^2-y^2/4-1 とおくと、F=(2x,y/2,2z/9)\nabla F=(-2x,-y/2,2z/9) の第3成分は正である。媒介変数を代入して正規化すると、

n=(2sinhucosv,sinhusinv,23coshu)4sinh2ucos2v+sinh2usin2v+49cosh2u.\boxed{\boldsymbol n= \frac{(-2\sinh u\cos v,-\sinh u\sin v,\frac23\cosh u)} {\sqrt{4\sinh^2u\cos^2v+\sinh^2u\sin^2v+\frac49\cosh^2u}}}.

II.4

(0,0,3)(0,0,3) の近くで z=h(x,y)=31+x2+y2/4z=h(x,y)=3\sqrt{1+x^2+y^2/4} と表す。この点では

hx=hy=hxy=0,hxx=3,hyy=34.h_x=h_y=h_{xy}=0,\qquad h_{xx}=3,\quad h_{yy}=\frac34.

よって

κ=hxxhyyhxy2(1+hx2+hy2)2=94.\boxed{|\kappa|=\left|\frac{h_{xx}h_{yy}-h_{xy}^2}{(1+h_x^2+h_y^2)^2}\right|=\frac94}.