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 L を
x(t)=a(t−sint),y(t)=a(1−cost),0≤t≤2π
で定義する。ただし a>0 は定数とする。
- L の長さを求めよ。
- L 上の任意の点の曲率を求めよ。ただし t=0,2π は除く。
II. 実数の媒介変数 u,v を用いて
x=sinhucosv,y=2sinhusinv,z=3coshu
と表される曲面を考える。
- 媒介変数を含まない式で曲面を表せ。
- z=5 における xy 平面図と、y=0 における xz 平面図の概形を描き、それぞれの軸との交点を示せ。
- z 成分が正となる単位法線ベクトル n を u,v で表せ。
- u=v=0 で与えられる点のガウス曲率を κ とする。∣κ∣ を求めよ。
题目描述
I. 在 xy 平面上,曲线 L 为
x(t)=a(t−sint),y(t)=a(1−cost),0≤t≤2π,
其中 a>0。
- 求 L 的长度。
- 求 0<t<2π 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,
其中 u,v∈R。
- 将曲面表示为不含参数的方程。
- 分别画出 z=5 处的 xy 截面和 y=0 处的 xz 截面,标出与各坐标轴的交点。
- 用 u,v 表示 z 分量为正的单位法向量 n。
- 设 u=v=0 处的高斯曲率为 κ,求 ∣κ∣。
Kai
x′=a(1−cost),y′=asint,x′2+y′2=2asin(t/2).
したがって
Length(L)=∫02π2asin(t/2)dt=8a.
また ∣x′y′′−y′x′′∣=a2(1−cost) より、
κ(t)=(x′2+y′2)3/2∣x′y′′−y′x′′∣=4asin(t/2)1(0<t<2π).
II.1、II.2
cosh2u−sinh2u=1 より、曲面は
9z2−x2−4y2=1,z≥3.
z=5 における断面は楕円
x2+4y2=916,
であり、両軸との交点は (±4/3,0)、(0,±8/3) である。y=0 の断面は
z=31+x2,
であり、z 軸とは (0,3) で交わり、x 軸とは交わらない。

II.3
F=z2/9−x2−y2/4−1 とおくと、∇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=4sinh2ucos2v+sinh2usin2v+94cosh2u(−2sinhucosv,−sinhusinv,32coshu).
II.4
(0,0,3) の近くで z=h(x,y)=31+x2+y2/4 と表す。この点では
hx=hy=hxy=0,hxx=3,hyy=43.
よって
∣κ∣=(1+hx2+hy2)2hxxhyy−hxy2=49.