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 微积分
Author
思齐塾 , 祭音Myyura
Description
Oを原点とした x y xy x y 平面上の点 P P P を極座標 ( r , θ ) (r, \theta) ( r , θ ) で表す. ここで θ \theta θ は反時計回りを正とした、 x x x 軸の正方向と O P ‾ \overline{OP} OP のなす角度であり, 0 ≤ θ < 2 π 0 \leq \theta < 2\pi 0 ≤ θ < 2 π とする. また、 r r r は O P OP OP の長さで、 r = e θ r = e^{\theta} r = e θ を満たし、 θ \theta θ が 0 0 0 から変化していくときの軌跡を C C C とする. 以下の5つの設問全てに解答せよ.
(1) 軌跡 C C C の始点 ( θ = 0 ) (\theta = 0) ( θ = 0 ) からの長さを θ \theta θ の関数で表せ.
(2) 点 P P P の x x x 座標と y y y 座標を、問(1)で求めた s s s の関数として、 x ( s ) x(s) x ( s ) および y ( s ) y(s) y ( s ) と表現する.
p ( s ) = O P ‾ = ( x ( s ) , y ( s ) ) p(s) = \overline{OP} = (x(s), y(s)) p ( s ) = OP = ( x ( s ) , y ( s )) と定義するとき、 ∣ d p ( s ) d s ∣ = 1 \left| \frac{dp(s)}{ds} \right| = 1 d s d p ( s ) = 1 となることを示せ.
(3) 軌跡 C C C と O P ‾ \overline{OP} OP がなす角度は、 θ \theta θ 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 C C C において点 P P P で内接する円の半径を θ \theta θ の関数で表せ.
ヒント: 曲線上に始点をとり、ある点 Q Q Q までの曲線の長さを s s s とする. 原点 O O O に対する Q Q Q の位置ベクトルを q ( s ) q(s) q ( s ) とするとき、 q ( s ) q(s) q ( s ) と内接円の半径(曲率半径 R R R ) の関係は図1のようになっている.
(5) 軌跡 C C C において点 P P P で内接する円の中心座標を ( x a , y a ) (x_a, y_a) ( x a , y a ) とする. この ( x a , y a ) (x_a, y_a) ( x a , y a ) の軌跡 C ′ C' C ′ を極座標 ( r ′ , θ ′ ) (r', \theta') ( r ′ , θ ′ ) で表すとき、 r ′ r' r ′ と θ ′ \theta' θ ′ をそれぞれ θ \theta θ の関数で表せ.
题目描述
在以 O O O 为原点的 x y xy x y 平面上,用极坐标 ( r , θ ) (r,\theta) ( r , θ ) 表示点 P P P 。这里 θ \theta θ 是从 x x x 轴正方向到 O P ‾ \overline{OP} OP 的逆时针有向角,满足 0 ≤ θ < 2 π 0\leq\theta<2\pi 0 ≤ θ < 2 π ;r = O P r=OP r = OP ,并满足 r = e θ r=e^\theta r = e θ 。当 θ \theta θ 从 0 0 0 开始变化时,点 P P P 的轨迹记为 C C C 。回答以下五问:
将轨迹 C C C 从起点(θ = 0 \theta=0 θ = 0 )到点 P P P 的弧长表示为 θ \theta θ 的函数。
以第 1 问所得弧长 s s s 为参数,把 P P P 的坐标写成 x ( s ) , y ( s ) x(s),y(s) x ( s ) , y ( s ) 。定义位置向量
p ( s ) = O P ‾ = ( x ( s ) , y ( s ) ) , p(s)=\overline{OP}=(x(s),y(s)), p ( s ) = OP = ( x ( s ) , y ( s )) ,
并证明
∣ d p ( s ) d s ∣ = 1. \left|\frac{dp(s)}{ds}\right|=1. d s d p ( s ) = 1.
证明轨迹 C C C 在 P P P 点的切线与线段 O P ‾ \overline{OP} OP 的夹角不随 θ \theta θ 改变,并求出该夹角。
将轨迹 C C C 在点 P P P 处的密切圆半径(曲率半径)表示为 θ \theta θ 的函数。提示:若从曲线起点到曲线上一点 Q Q Q 的弧长为 s s s ,且 Q Q Q 相对于原点 O O O 的位置向量为 q ( s ) q(s) q ( s ) ,则 q ( s ) q(s) q ( s ) 与密切圆曲率半径 R R R 的关系如原题图 1 所示;当前文件未包含图 1 的图像,除此之外题干与 Kai 可唯一确定的条件如上。
设轨迹 C C C 在 P P P 点的密切圆圆心为 ( x a , y a ) (x_a,y_a) ( x a , y a ) 。圆心的轨迹记为 C ′ C' C ′ ,并以极坐标 ( r ′ , θ ′ ) (r',\theta') ( r ′ , θ ′ ) 表示;分别把 r ′ r' r ′ 与 θ ′ \theta' θ ′ 写成 θ \theta θ 的函数。
Kai
(1) 軌跡 C C C の始点 ( θ = 0 ) (\theta = 0) ( θ = 0 ) からの長さを s s s とすると, r = e θ r = e^{\theta} r = e θ より,
d r d θ = e θ \frac{dr}{d\theta} = e^{\theta} d θ d r = e θ
したがって,
d s d θ = r 2 + ( d r d θ ) 2 = ( e θ ) 2 + ( e θ ) 2 = 2 e θ \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} d θ d s = r 2 + ( d θ d r ) 2 = ( e θ ) 2 + ( e θ ) 2 = 2 e θ
θ \theta θ が 0 0 0 から θ \theta θ まで変化するとき, s s s は
s = ∫ 0 θ 2 e t d t = 2 [ e t ] 0 θ = 2 ( e θ − 1 ) s = \int_0^{\theta} \sqrt{2}e^t dt = \sqrt{2} [e^t]_0^{\theta} = \sqrt{2}(e^{\theta} - 1) s = ∫ 0 θ 2 e t d t = 2 [ e t ] 0 θ = 2 ( e θ − 1 )
(2) r = e θ r = e^{\theta} r = e θ より, x ( θ ) = r cos θ = e θ cos θ x(\theta) = r \cos \theta = e^{\theta} \cos \theta x ( θ ) = r cos θ = e θ cos θ , y ( θ ) = r sin θ = e θ sin θ y(\theta) = r \sin \theta = e^{\theta} \sin \theta y ( θ ) = r sin θ = e θ sin θ である.
(1)より, θ = log ( s 2 + 1 ) \theta = \log \left(\frac{s}{\sqrt{2}} + 1\right) θ = log ( 2 s + 1 ) であるから,
x ( s ) = ( s 2 + 1 ) cos ( log ( s 2 + 1 ) ) , y ( s ) = ( s 2 + 1 ) sin ( log ( s 2 + 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) x ( s ) = ( 2 s + 1 ) cos ( log ( 2 s + 1 ) ) , y ( s ) = ( 2 s + 1 ) sin ( log ( 2 s + 1 ) )
よって,
p ( s ) = ( x ( s ) , y ( s ) ) = ( ( s 2 + 1 ) cos ( log ( s 2 + 1 ) ) , ( s 2 + 1 ) sin ( log ( s 2 + 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) p ( s ) = ( x ( s ) , y ( s )) = ( ( 2 s + 1 ) cos ( log ( 2 s + 1 ) ) , ( 2 s + 1 ) sin ( log ( 2 s + 1 ) ) )
d x d s = 1 2 cos ( log ( s 2 + 1 ) ) − 1 2 sin ( log ( s 2 + 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) d s d x = 2 1 cos ( log ( 2 s + 1 ) ) − 2 1 sin ( log ( 2 s + 1 ) )
d y d s = 1 2 sin ( log ( s 2 + 1 ) ) + 1 2 cos ( log ( s 2 + 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) d s d y = 2 1 sin ( log ( 2 s + 1 ) ) + 2 1 cos ( log ( 2 s + 1 ) )
よって,
∣ d p ( s ) d s ∣ 2 = 1 2 { ( 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 d s d p ( s ) 2 = 2 1 {( cos θ − sin θ ) 2 + ( sin θ + cos θ ) 2 } = 1
∣ d p ( s ) d s ∣ = 1 \left| \frac{dp(s)}{ds} \right| = 1 d s d p ( s ) = 1
(3) 軌跡 C C C の接線ベクトルを t t t とすると,
t = ( d x d θ , d y d θ ) = ( e θ cos θ − e θ sin θ , e θ sin θ + e θ cos θ ) = e θ ( 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) t = ( d θ d x , d θ d y ) = ( e θ cos θ − e θ sin θ , e θ sin θ + e θ cos θ ) = e θ ( cos θ − sin θ , sin θ + cos θ )
O P ‾ = ( e θ cos θ , e θ sin θ ) \overline{OP} = (e^{\theta} \cos \theta, e^{\theta} \sin \theta) OP = ( e θ cos θ , e θ sin θ ) であるから,軌跡 C C C と O P ‾ \overline{OP} OP がなす角度を α \alpha α とすると,
cos α = t ⋅ O P ‾ ∣ t ∣ ∣ O P ‾ ∣ = e 2 θ ( cos 2 θ − sin θ cos θ + sin θ cos θ + sin 2 θ ) 2 e θ ⋅ e θ = e 2 θ 2 e 2 θ = 1 2 \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}} cos α = ∣ t ∣∣ OP ∣ t ⋅ OP = 2 e θ ⋅ e θ e 2 θ ( cos 2 θ − sin θ cos θ + sin θ cos θ + sin 2 θ ) = 2 e 2 θ e 2 θ = 2 1
したがって, α = π 4 \alpha = \frac{\pi}{4} α = 4 π で一定である.
(4) 曲率半径 R = d s d ϕ = ( 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}|} R = d ϕ d s = ∣ x ˙ y ¨ − y ˙ x ¨ ∣ ( x ˙ 2 + y ˙ 2 ) 3/2
x ˙ = d x d θ = e θ ( cos θ − sin θ ) , y ˙ = d y d θ = e θ ( 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 ˙ = d θ d x = e θ ( cos θ − sin θ ) , y ˙ = d θ d y = e θ ( sin θ + cos θ )
x ¨ = d 2 x d θ 2 = − 2 e θ sin θ , y ¨ = d 2 y d θ 2 = 2 e θ cos 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 ¨ = d θ 2 d 2 x = − 2 e θ sin θ , y ¨ = d θ 2 d 2 y = 2 e θ cos θ
x ˙ y ¨ − y ˙ x ¨ = 2 e 2 θ \dot{x}\ddot{y}-\dot{y}\ddot{x}
=2e^{2\theta} x ˙ y ¨ − y ˙ x ¨ = 2 e 2 θ
であるから,
R = ( 2 e 2 θ ) 3 / 2 2 e 2 θ = 2 e θ . R
=\frac{(2e^{2\theta})^{3/2}}{2e^{2\theta}}
=\sqrt{2}e^\theta . R = 2 e 2 θ ( 2 e 2 θ ) 3/2 = 2 e θ .
(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,
( x a , y a ) = ( x , y ) + R ( − d y d s , d x d s ) (x_a,y_a)
=(x,y)+R\left(-\frac{dy}{ds},\frac{dx}{ds}\right) ( x a , y a ) = ( x , y ) + R ( − d s d y , d s d x )
である.したがって,
x a = e θ cos θ − 2 e θ sin θ + cos θ 2 = − e θ sin θ , y a = e θ sin θ + 2 e θ cos θ − sin θ 2 = e θ cos 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} x a y a = e θ cos θ − 2 e θ 2 sin θ + cos θ = − e θ sin θ , = e θ sin θ + 2 e θ 2 cos θ − sin θ = e θ cos θ .
よって中心の軌跡 C ′ C' C ′ は
r ′ = e θ , θ ′ = θ + π 2 ( m o d 2 π ) . \boxed{r'=e^\theta,\qquad
\theta'=\theta+\frac{\pi}{2}\pmod{2\pi}} . r ′ = e θ , θ ′ = θ + 2 π ( mod 2 π ) .