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16〓2015. 10. 5経理課
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\) \((a > 0, 0 \leq t \leq 2\pi)\) 曲線の長さを求める問題では、必ずしもグラフを書く必要はありません。 導関数を求めて、曲線の長さの公式に当てはめるだけです。 STEP. 曲線の長さを求める積分公式 | 理系ラボ. 1 導関数を求める まずは導関数を求めます。 媒介変数表示の場合は、\(\displaystyle \frac{dx}{dt}\), \(\displaystyle \frac{dy}{dt}\) を求めるのでしたね。 \(\left\{\begin{array}{l}x = a\cos^3 t\\y = a\sin^3 t\end{array}\right. \) より、 \(\displaystyle \frac{dx}{dt} = 3a\cos^2t (−\sin t)\) \(\displaystyle \frac{dy}{dt} = 3a\sin^2t (\cos t)\) STEP. 2 被積分関数を整理する 定積分の計算に入る前に、式を 積分しやすい形に変形しておく とスムーズです。 \(\displaystyle \sqrt{ \left( \frac{dx}{dt} \right)^2 + \left( \frac{dy}{dt} \right)^2}\) \(= \sqrt{9a^2\cos^4t\sin^2t + 9a^2\sin^4t\cos^2t}\) \(= \sqrt{9a^2\cos^2t\sin^2t (\cos^2t + \sin^2t)}\) \(= \sqrt{9a^2\cos^2t\sin^2t}\) \(= |3a \cos t \sin t|\) \(\displaystyle = \left| \frac{3}{2} a \sin 2t \right|\) \(a > 0\) より \(\displaystyle \frac{3}{2} a|\sin 2t|\) STEP. 3 定積分する 準備ができたら、定積分します。 絶対値がついているので、積分する面積をイメージしながら慎重に絶対値を外しましょう。 求める曲線の長さは \(\displaystyle \int_0^{2\pi} \sqrt{ \left( \frac{dx}{dt} \right)^2 + \left( \frac{dy}{dt} \right)^2} \ dt\) \(\displaystyle = \frac{3}{2} a \int_0^{2\pi} |\sin 2t| \ dt\) \(\displaystyle = \frac{3}{2} a \cdot 4 \int_0^{\frac{\pi}{2}} \sin 2t \ dt\) \(\displaystyle = 6a \left[−\frac{1}{2} \cos 2t \right]_0^{\frac{\pi}{2}}\) \(= −3a[\cos 2t]_0^{\frac{\pi}{2}}\) \(= −3a(− 1 − 1)\) \(= 6a\) 答えは \(\color{red}{6a}\) と求められましたね!
東大塾長の山田です。 このページでは、 曲線の長さを求める公式 について詳しくまとめています! 色々な表示形式における公式の説明をした後に、例題を用いて公式の使い方を覚え、最後に公式の証明を行うことで、この分野に関する体系的な知識を身に着けることができます。 ぜひ勉強の参考にしてください! 1. 曲線の長さ まずは、 公式の形とそれについての補足説明 を行います。 1. 1 公式 関数の表示のされ方によって、公式の形は異なります (本質的にはすべて同じ) 。今回は、 「媒介変数表示」「陽関数表示」「極座標表示」 のそれぞれ場合の公式についてまとめました。 これらは覚えておく必要があります! 1. 2 補足(定理の前提条件) これらの公式、 便利なように思えてルートの中に二乗の和が登場してしまうので、 計算量が多くなってしまいがち です。(実際に計算が遂行できるような関数はあまり多くない) また、 定理の前提条件 を抑えておくと以下で扱う証明のときに役立ちます。上の公式が使える条件は、 登場してきた関数\(f(t), g(t), f(x), f(\theta)\)が\(\alpha≦\theta ≦\beta\)において連続∧微分可能である必要 があります。 これはのちの証明の際にもう一度扱います。 2. 例題 公式の形は頭に入ったでしょうか? 大学数学: 26 曲線の長さ. 実際に問題を解くことで確認してみましょう。 2. 1 問題 2. 2 解答 それぞれに当てはまる公式を用いていきましょう!
上の各点にベクトルが割り当てられたような場合, に沿った積分がどのような値になるのかも線積分を用いて計算することができる. また, 曲線に沿ってあるベクトルを加え続けるといった操作を行なったときの曲線に沿った積分値も線積分を用いて計算することができる. 例えば, 空間内のあらゆる点にベクトル \( \boldsymbol{g} \) が存在するような空間( ベクトル場)を考えてみよう. このような空間内のある曲線 に沿った の成分の総和を求めることが目的となる. 上のある点 でベクトル がどのような寄与を与えるかを考える. 曲線の長さ 積分 証明. への微小なベクトルを \(d\boldsymbol{l} \), 単位接ベクトルを とし, \(g \) (もしくは \(d\boldsymbol{l} \))の成す角を とすると, 内積 \boldsymbol{g} \cdot d\boldsymbol{l} & = \boldsymbol{g} \cdot \boldsymbol{t} dl \\ & = g dl \cos{\theta} \( \boldsymbol{l} \) 方向の大きさを表しており, 目的に合致した量となっている. 二次元空間において \( \boldsymbol{g} = \left( g_{x}, g_{y}\right) \) と表される場合, 単位接ベクトルを \(d\boldsymbol{l} = \left( dx, dy \right) \) として線積分を実行すると次式のように, 成分と 成分をそれぞれ計算することになる. \int_{C} \boldsymbol{g} \cdot d\boldsymbol{l} & = \int_{C} \left( g_{x} \ dx + g_{y} \ dy \right) \\ & = \int_{C} g_{x} \ dx + \int_{C} g_{y} \ dy \quad. このような計算は(明言されることはあまりないが)高校物理でも頻繁に登場することになる. 実際, 力学などで登場する物理量である 仕事 は線積分によって定義されるし, 位置エネルギー などの計算も線積分が使われることになる. 上の位置 におけるベクトル量を \( \boldsymbol{A} = \boldsymbol{A}(\boldsymbol{r}) \) とすると, この曲線に沿った線積分は における微小ベクトルを \(d\boldsymbol{l} \), 単位接ベクトルを \[ \int_{C} \boldsymbol{A} \cdot d \boldsymbol{l} = \int_{C} \boldsymbol{A} \cdot \boldsymbol{t} \ dl \] 曲線上のある点と接するようなベクトル \(d\boldsymbol{l} \) を 接ベクトル といい, 大きさが の接ベクトル を 単位接ベクトル という.
以上より,公式が導かれる. ( 区分求積法 を参考する) ホーム >> カテゴリー分類 >> 積分 >> 定積分の定義 >>曲線の長さ 最終更新日: 2017年3月10日
微分積分 2020. 04. 18 [mathjax] \(y=x^2\)の\(0\leq x\leq 1\)の長さ 中学で学んでからお馴染みの放物線ですが、長さを求めることってなかったですよね?