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東京大学 新領域創成科学研究科 人間環境学専攻 2016年8月実施 微分積分

Author​

思齐塾, 祭音Myyura

Description​

Oを原点とした xyxy 平面上の点 PP を極座標 (r,θ)(r, \theta) で表す. ここで θ\theta は反時計回りを正とした、 xx 軸の正方向と OP‾\overline{OP} のなす角度であり, 0≤θ<2π0 \leq \theta < 2\pi とする. また、 rr は OPOP の長さで、 r=eθr = e^{\theta} を満たし、 θ\theta が 00 から変化していくときの軌跡を CC とする. 以下の5つの設問全てに解答せよ.

(1) 軌跡 CC の始点 (θ=0)(\theta = 0) からの長さを θ\theta の関数で表せ.

(2) 点 PP の xx 座標と yy 座標を、問(1)で求めた ss の関数として、 x(s)x(s) および y(s)y(s) と表現する. p(s)=OP‾=(x(s),y(s))p(s) = \overline{OP} = (x(s), y(s)) と定義するとき、 ∣dp(s)ds∣=1\left| \frac{dp(s)}{ds} \right| = 1 となることを示せ.

(3) 軌跡 CC と OP‾\overline{OP} がなす角度は、 θ\theta によらず一定であることを示し、その角度を求めよ.

(4) 軌跡 CC において点 PP で内接する円の半径を θ\theta の関数で表せ. ヒント: 曲線上に始点をとり、ある点 QQ までの曲線の長さを ss とする. 原点 OO に対する QQ の位置ベクトルを q(s)q(s) とするとき、 q(s)q(s) と内接円の半径(曲率半径 RR ) の関係は図1のようになっている.

(5) 軌跡 CC において点 PP で内接する円の中心座標を (xa,ya)(x_a, y_a) とする. この (xa,ya)(x_a, y_a) の軌跡 C′C' を極座標 (r′,θ′)(r', \theta') で表すとき、 r′r' と θ′\theta' をそれぞれ θ\theta の関数で表せ.

図1:弧長表示と曲率半径の概念図。

Arc length, tangent and curvature radius

题目描述​

在以 OO 为原点的 xyxy 平面上,用极坐标 (r,θ)(r,\theta) 表示点 PP。这里 θ\theta 是从 xx 轴正方向到 OP‾\overline{OP} 的逆时针有向角,满足 0≤θ<2π0\leq\theta<2\pi;r=OPr=OP,并满足 r=eθr=e^\theta。当 θ\theta 从 00 开始变化时,点 PP 的轨迹记为 CC。回答以下五问:

  1. 将轨迹 CC 从起点(θ=0\theta=0)到点 PP 的弧长表示为 θ\theta 的函数。

  2. 以第 1 问所得弧长 ss 为参数,把 PP 的坐标写成 x(s),y(s)x(s),y(s)。定义位置向量

    p(s)=OP‾=(x(s),y(s)),p(s)=\overline{OP}=(x(s),y(s)),

    并证明

    ∣dp(s)ds∣=1.\left|\frac{dp(s)}{ds}\right|=1.
  3. 证明轨迹 CC 在 PP 点的切线与线段 OP‾\overline{OP} 的夹角不随 θ\theta 改变,并求出该夹角。

  4. 将轨迹 CC 在点 PP 处的密切圆半径(曲率半径)表示为 θ\theta 的函数。提示:若从曲线起点到曲线上一点 QQ 的弧长为 ss,且 QQ 相对于原点 OO 的位置向量为 q(s)q(s),则 q(s)q(s) 与密切圆曲率半径 RR 的关系如原题图 1 所示,可结合上方曲率示意图理解。

  5. 设轨迹 CC 在 PP 点的密切圆圆心为 (xa,ya)(x_a,y_a)。圆心的轨迹记为 C′C',并以极坐标 (r′,θ′)(r',\theta') 表示;分别把 r′r' 与 θ′\theta' 写成 θ\theta 的函数。

Kai​

(1) 軌跡 CC の始点 (θ=0)(\theta = 0) からの長さを ss とすると, r=eθr = e^{\theta} より,

drdθ=eθ\frac{dr}{d\theta} = e^{\theta}

したがって,

dsdθ=r2+(drdθ)2=(eθ)2+(eθ)2=2eθ\frac{ds}{d\theta} = \sqrt{r^2 + \left(\frac{dr}{d\theta}\right)^2} = \sqrt{(e^{\theta})^2 + (e^{\theta})^2} = \sqrt{2}e^{\theta}

θ\theta が 00 から θ\theta まで変化するとき, ss は

s=∫0θ2etdt=2[et]0θ=2(eθ−1)s = \int_0^{\theta} \sqrt{2}e^t dt = \sqrt{2} [e^t]_0^{\theta} = \sqrt{2}(e^{\theta} - 1)

(2) r=eθr = e^{\theta} より, x(θ)=rcos⁡θ=eθcos⁡θx(\theta) = r \cos \theta = e^{\theta} \cos \theta , y(θ)=rsin⁡θ=eθsin⁡θy(\theta) = r \sin \theta = e^{\theta} \sin \theta である. (1)より, θ=log⁡(s2+1)\theta = \log \left(\frac{s}{\sqrt{2}} + 1\right) であるから,

x(s)=(s2+1)cos⁡(log⁡(s2+1)),y(s)=(s2+1)sin⁡(log⁡(s2+1))x(s) = \left(\frac{s}{\sqrt{2}} + 1\right) \cos \left(\log \left(\frac{s}{\sqrt{2}} + 1\right) \right), \quad y(s) = \left(\frac{s}{\sqrt{2}} + 1\right) \sin \left(\log \left(\frac{s}{\sqrt{2}} + 1\right) \right)

よって,

p(s)=(x(s),y(s))=((s2+1)cos⁡(log⁡(s2+1)),(s2+1)sin⁡(log⁡(s2+1)))p(s) = (x(s), y(s)) = \left( \left(\frac{s}{\sqrt{2}} + 1\right) \cos \left(\log \left(\frac{s}{\sqrt{2}} + 1\right) \right), \left(\frac{s}{\sqrt{2}} + 1\right) \sin \left(\log \left(\frac{s}{\sqrt{2}} + 1\right) \right) \right)
dxds=12cos⁡(log⁡(s2+1))−12sin⁡(log⁡(s2+1))\frac{dx}{ds} = \frac{1}{\sqrt{2}} \cos \left(\log \left(\frac{s}{\sqrt{2}} + 1\right) \right) - \frac{1}{\sqrt{2}} \sin \left(\log \left(\frac{s}{\sqrt{2}} + 1\right) \right)
dyds=12sin⁡(log⁡(s2+1))+12cos⁡(log⁡(s2+1))\frac{dy}{ds} = \frac{1}{\sqrt{2}} \sin \left(\log \left(\frac{s}{\sqrt{2}} + 1\right) \right) + \frac{1}{\sqrt{2}} \cos \left(\log \left(\frac{s}{\sqrt{2}} + 1\right) \right)

よって,

∣dp(s)ds∣2=12{(cos⁡θ−sin⁡θ)2+(sin⁡θ+cos⁡θ)2}=1\left| \frac{dp(s)}{ds} \right|^2 =\frac12\{(\cos\theta-\sin\theta)^2 +(\sin\theta+\cos\theta)^2\} =1

∣dp(s)ds∣=1\left| \frac{dp(s)}{ds} \right| = 1

(3) 軌跡 CC の接線ベクトルを tt とすると,

t=(dxdθ,dydθ)=(eθcos⁡θ−eθsin⁡θ,eθsin⁡θ+eθcos⁡θ)=eθ(cos⁡θ−sin⁡θ,sin⁡θ+cos⁡θ)t = \left( \frac{dx}{d\theta}, \frac{dy}{d\theta} \right) = (e^{\theta} \cos \theta - e^{\theta} \sin \theta, e^{\theta} \sin \theta + e^{\theta} \cos \theta) = e^{\theta} (\cos \theta - \sin \theta, \sin \theta + \cos \theta)

OP‾=(eθcos⁡θ,eθsin⁡θ)\overline{OP} = (e^{\theta} \cos \theta, e^{\theta} \sin \theta) であるから,軌跡 CC と OP‾\overline{OP} がなす角度を α\alpha とすると,

cos⁡α=t⋅OP‾∣t∣∣OP‾∣=e2θ(cos⁡2θ−sin⁡θcos⁡θ+sin⁡θcos⁡θ+sin⁡2θ)2eθ⋅eθ=e2θ2e2θ=12\cos \alpha = \frac{t \cdot \overline{OP}}{|t| |\overline{OP}|} = \frac{e^{2\theta}(\cos^2 \theta - \sin \theta \cos \theta + \sin \theta \cos \theta + \sin^2 \theta)}{\sqrt{2}e^{\theta} \cdot e^{\theta}} = \frac{e^{2\theta}}{\sqrt{2}e^{2\theta}} = \frac{1}{\sqrt{2}}

したがって, α=π4\alpha = \frac{\pi}{4} で一定である.

(4) 曲率半径 R=dsdϕ=(x˙2+y˙2)3/2∣x˙y¨−y˙x¨∣R = \frac{ds}{d\phi} = \frac{(\dot{x}^2 + \dot{y}^2)^{3/2}}{|\dot{x} \ddot{y} - \dot{y} \ddot{x}|} x˙=dxdθ=eθ(cos⁡θ−sin⁡θ),y˙=dydθ=eθ(sin⁡θ+cos⁡θ)\dot{x} = \frac{dx}{d\theta} = e^{\theta}(\cos \theta - \sin \theta), \quad \dot{y} = \frac{dy}{d\theta} = e^{\theta}(\sin \theta + \cos \theta) x¨=d2xdθ2=−2eθsin⁡θ,y¨=d2ydθ2=2eθcos⁡θ\ddot{x} = \frac{d^2 x}{d\theta^2} = -2e^{\theta} \sin \theta, \quad \ddot{y} = \frac{d^2 y}{d\theta^2} = 2e^{\theta} \cos \theta

x˙y¨−y˙x¨=2e2θ\dot{x}\ddot{y}-\dot{y}\ddot{x} =2e^{2\theta}

であるから,

R=(2e2θ)3/22e2θ=2eθ.R =\frac{(2e^{2\theta})^{3/2}}{2e^{2\theta}} =\sqrt{2}e^\theta .

(5) 曲率は正なので,内接円の中心は左単位法線の方向にあり,

(xa,ya)=(x,y)+R(−dyds,dxds)(x_a,y_a) =(x,y)+R\left(-\frac{dy}{ds},\frac{dx}{ds}\right)

である.したがって,

xa=eθcos⁡θ−2eθsin⁡θ+cos⁡θ2=−eθsin⁡θ,ya=eθsin⁡θ+2eθcos⁡θ−sin⁡θ2=eθcos⁡θ.\begin{aligned} x_a &=e^\theta\cos\theta -\sqrt{2}e^\theta\frac{\sin\theta+\cos\theta}{\sqrt{2}} =-e^\theta\sin\theta,\\ y_a &=e^\theta\sin\theta +\sqrt{2}e^\theta\frac{\cos\theta-\sin\theta}{\sqrt{2}} =e^\theta\cos\theta . \end{aligned}

よって中心の軌跡 C′C' は

r′=eθ,θ′=θ+π2(mod2π).\boxed{r'=e^\theta,\qquad \theta'=\theta+\frac{\pi}{2}\pmod{2\pi}} .