メインコンテンツへスキップ
教材一覧に戻る
数学III

媒介ばいかい変数へんすう表示ひょうじ極座標きょくざひょう

最終確認日:

このしょうまなぶこと

数学すうがく III の 最終さいしゅうしょう。 これまでの曲線きょくせんy=f(x)y = f(x)f(x,y)=0f(x, y) = 0あらわしてきました。 このしょうでは 2 つのあたらしい表現ひょうげんまなびます。

  • 媒介変数表示ばいかいへんすうひょうじ (x(t), y(t))\bigl( x(t),\ y(t) \bigr)
  • **ばいかいへんすうの **ぶん積分せきぶん
  • 極座標きょくざひょう (r,θ)(r, \theta) と xy ひょうとのへんかん
  • 極方程式きょくほうていしき r=f(θ)r = f(\theta)
  • てんけい曲線きょくせん: サイクロイドさいくろいどカージオイドかーじおいどアステロイドあすてろいどアルキメデスの渦巻線あるきめですのうずまきせん

ポイント:を 1 つのかずではなく、 「かん」 や 「かくと距きょり」 のくみあらわ」 という はっそうてんかん。 これで表現ひょうげんできる曲線きょくせんやく的にひろがります。

1. 媒介ばいかい変数へんすう表示ひょうじ

定義ていぎ

曲線きょくせんじょうてんだい 3 のへんすう tt使つかって、

x=x(t),y=y(t)x = x(t),\quad y = y(t)

かたちあらわすことを 媒介変数表示ばいかいへんすうひょうじぶ。 ttかん角度かくど などとぶつてきつことがおおい。

れい 1 円

x=rcostx = r \cos ty=rsinty = r \sin tはんけい rrえんtt原点げんてんからのかく

れい 2 楕円だえん

x=acostx = a \cos ty=bsinty = b \sin t楕円だえん x2a2+y2b2=1\dfrac{x^2}{a^2} + \dfrac{y^2}{b^2} = 1

れい 3 直線ちょくせん

x=1+2tx = 1 + 2ty=3ty = 3 - tほうこうベクトル (2,1)(2, -1)、 点(1,3)(1, 3)とおちょくせん

2. 媒介ばいかい変数へんすう微分びぶん

公式こうしき

x=x(t)x = x(t)y=y(t)y = y(t) がともにぶんのうdxdt0\dfrac{dx}{dt} \neq 0 のとき、

dydx=dy/dtdx/dt\dfrac{dy}{dx} = \dfrac{dy/dt}{dx/dt}

連鎖律れんさりつ応用おうよう (かけじょうdtdtやくぶん)。

れい 4 えん接線せっせん

x=costx = \cos ty=sinty = \sin tt=π/3t = \pi/3 でのせっせんかたむき:

dydx=costsintt=π/3=1/23/2=13\dfrac{dy}{dx} = \dfrac{\cos t}{-\sin t} \bigg|_{t = \pi/3} = \dfrac{1/2}{-\sqrt{3}/2} = -\dfrac{1}{\sqrt{3}}

だい 2 かい微分びぶん

d2ydx2=ddx(dydx)=1dx/dtddt(dy/dtdx/dt)\dfrac{d^2 y}{dx^2} = \dfrac{d}{dx} \left( \dfrac{dy}{dx} \right) = \dfrac{1}{dx/dt} \cdot \dfrac{d}{dt} \left( \dfrac{dy/dt}{dx/dt} \right)

3. サイクロイド

定義ていぎ

はんけい aaえんちょくせんじょうすべらずにころがるとき、 円上えんじょうの 1 てんえが曲線きょくせん

x=a(tsint),y=a(1cost)x = a(t - \sin t),\quad y = a(1 - \cos t)

性質せいしつ

  • 1 周期しゅうきxx2πa2\pi aすす
  • 最高さいこうてんy=2ay = 2a
  • 1 周期しゅうきちょう =8a= 8a (だい 8 しょう)
  • 1 周期しゅうき面積めんせき =3πa2= 3\pi a^2 (= えん面積めんせきの 3 ばい)

応用おうよう: サイクロイドさいくろいどは 「最速さいそく降下こうかきょくせん」 (重力じゅうりょくだけで 2 てんかん最速さいそくむす曲線きょくせん)、 「等時性とうじせいきょくせん」 (出発しゅっぱつてんによらずかんおなじ) としてぶつ数学すうがく古典こてんてき名題なだい

4. 極座標きょくざひょう

定義ていぎ

へいめんじょうてんを、 原点げんてんからの距きょり rr実軸じつじくからのかく θ\thetaあらわす。

へんかんこうしき
ごく → xyx=rcosθx = r\cos\thetay=rsinθy = r\sin\theta
xy → ごくr=x2+y2r = \sqrt{x^2 + y^2}tanθ=y/x\tan\theta = y/x

れい 5

xy ひょう (1,3)(1, \sqrt{3})極座標きょくざひょう: r=2r = 2θ=π/3\theta = \pi/3

極座標きょくざひょう (r,θ)=(2,2π/3)(r, \theta) = (2, 2\pi/3) の xy: x=2cos(2π/3)=1x = 2\cos(2\pi/3) = -1y=2sin(2π/3)=3y = 2\sin(2\pi/3) = \sqrt{3}

5. ごく方程式ほうていしき

定義ていぎ

曲線きょくせんr=f(θ)r = f(\theta)かたちあらわしたものを 極方程式きょくほうていしき

れい 6 円

r=ar = a原点げんてん中心ちゅうしんはんけい aaえんr=2acosθr = 2a \cos\theta(a,0)(a, 0)中心ちゅうしんとし、 はんけい aaえん (x2+y2=2axx^2 + y^2 = 2ax同値どうち)。

れい 7 直線ちょくせん

θ=π/4\theta = \pi/4原点げんてんとおる傾かたむ 11ちょくせん

rcos(θα)=dr \cos(\theta - \alpha) = d原点げんてんから距きょり ddちょくせん

れい 8 カージオイド

r=a(1+cosθ)r = a(1 + \cos\theta)カージオイドかーじおいど ( ハートがた)。 えんおなおおきさのえんそとがわころがるときえが曲線きょくせん

れい 9 アルキメデスの渦巻うずまきせん

r=aθr = a\thetaアルキメデスの渦巻線あるきめですのうずまきせんいっていはやさでうごきながらいってい角速度かくそくど回転かいてんしたせき

6. 極座標きょくざひょうでの面積めんせき

公式こうしき

極方程式きょくほうていしき r=f(θ)r = f(\theta) と 2 ほんどうθ=α\theta = \alphaθ=β\theta = \betaかこまれるぶん面積めんせき:

S=12αβr2dθ=12αβ{f(θ)}2dθS = \dfrac{1}{2} \int_\alpha^\beta r^2 \, d\theta = \dfrac{1}{2} \int_\alpha^\beta \{ f(\theta) \}^2 \, d\theta

イメージ: 微小びしょうかくdθd\theta における 扇形おうぎがた面積めんせき12r2dθ\dfrac{1}{2} r^2 d\theta (はんけい rr中心ちゅうしんdθd\theta)。 それをす。

れい 10 カージオイドの面積めんせき

r=a(1+cosθ)r = a(1 + \cos\theta)全体ぜんたい面積めんせき (0θ2π0 \le \theta \le 2\pi):

S=1202πa2(1+cosθ)2dθ=a2202π(1+2cosθ+1+cos2θ2)dθ=3πa22S = \dfrac{1}{2} \int_0^{2\pi} a^2 (1 + \cos\theta)^2 \, d\theta = \dfrac{a^2}{2} \int_0^{2\pi} \left( 1 + 2\cos\theta + \dfrac{1 + \cos 2\theta}{2} \right) d\theta = \dfrac{3\pi a^2}{2}

7. その典型てんけい曲線きょくせん

アステロイド

x=acos3tx = a \cos^3 ty=asin3ty = a \sin^3 t。 「4 つの尖せんてん をもつほしがた」。 同値どうちな陰かんすうひょうげんx2/3+y2/3=a2/3x^{2/3} + y^{2/3} = a^{2/3}

りょうあたい
ちょう6a6a
面積めんせき3πa28\dfrac{3\pi a^2}{8}

レムニスケート

r2=a2cos2θr^2 = a^2 \cos 2\theta∞ (よこ 8 の)かたち

楕円だえん (ごく方程式ほうていしきばん)

太陽たいようしょうてんとする惑星わくせいどうは、

r=1+ecosθ(0e<1)r = \dfrac{\ell}{1 + e \cos\theta} \quad (0 \le e < 1)

かたちee離心りしん。 これが ケプラーの法則けぷらーのほうそく数式すうしき表現ひょうげんです。

8. 数学すうがく III 全体ぜんたいかえ

しょう中心ちゅうしんテーマ
1数列すうれつきょくげん
2かんすうきょくげん連続れんぞく
3ぶんほんこうしき
4三角さんかくすうたいすうぶん
5ぶん応用おうよう (グラフ・さいだいさいしょう)
6積分せきぶんほんけいさん
7面積めんせきたいせき
8ちょうぶつりょう
9複素数ふくそすうへいめん
10ばいかいへんすう極座標きょくざひょう

全体ぜんたいつらぬそう:変化へんか (微分びぶん) と るいせき (積分せきぶん)」、 「極限きょくげんのあつかい」、 「平面へいめんかずとういつ (複素数ふくそすう)」、 「様々さまざまひょうげん曲線きょくせんとらなおす」。 この 4 つが 大学だいがく数学すうがく物理ぶつり工学こうがくきょうつうげん です。

へ: 大学だいがくすすひと微分方程式びぶんほうていしき多変数解析たへんすうかいせきベクトル解析べくとるかいせき線形代数せんけいだいすう などへ。 いずれも数学すうがく III が 中の。 ここまでれたことをしんに、 つぎのステージへ。

まとめ — 媒介ばいかい変数へんすう表示ひょうじ極座標きょくざひょうを 3 くだり

  • 媒介変数表示ばいかいへんすうひょうじ (x(t),y(t))(x(t), y(t)) では時間じかんなどだい 3 の変数へんすう曲線きょくせん記述きじゅつし、 サイクロイドさいくろいどアステロイドあすてろいどなど y=f(x)y = f(x)けない曲線きょくせんあつかえる
  • 極座標きょくざひょう (r,θ)(r, \theta)直交ちょっこう座標ざひょうx=rcosθx = r\cos\thetay=rsinθy = r\sin\theta変換へんかんされ、 ごく方程式ほうていしきr=f(θ)r = f(\theta)カージオイドかーじおいど等の対称的たいしょうてき曲線きょくせん簡潔かんけつあらわせる
  • 媒介ばいかい変数へんすう表示ひょうじ微分びぶんdydx=dy/dtdx/dt\dfrac{dy}{dx} = \dfrac{dy/dt}{dx/dt}積分せきぶんによる面積めんせきちょう典型てんけい曲線きょくせん応用おうよう問題もんだい頻出ひんしゅつである
この教材きょうざいやくちましたか?