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数学C

媒介ばいかい変数へんすう表示ひょうじ (サイクロイド・リサジュー)

最終確認日:

このしょうまなぶこと

これまでの関数かんすうy=f(x)y=f(x)かたちで 「xxめれば yyまる」 というかたでした。 数学すうがく C では、 だい 3 の変数へんすうtt (媒介変数ばいかいへんすうパラメータぱらめーた) をかいして

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

媒介変数表示ばいかいへんすうひょうじまなびます。 この方法ほうほうで、 えんたてにもよこにもうごけ、 自己じこ交差こうさするサイクロイドさいくろいどなど ふくざつ曲線きょくせんゆうけるようになります。

  • 媒介ばいかい変数へんすう表示ひょうじ基本きほんy=f(x)y=f(x) への変換へんかん
  • えん楕円だえんのパラメータ表示ひょうじ
  • サイクロイドさいくろいどアステロイドあすてろいどリサジュー曲線りさじゅーきょくせん
  • 媒介ばいかい変数へんすう表示ひょうじでの せっせん傾きかたむき dydx=dy/dtdx/dt\dfrac{dy}{dx}=\dfrac{dy/dt}{dx/dt}
  • 物理ぶつりとのつながり (速度そくど加速度かそくど)

ポイント: y=f(x)y=f(x) では 1 つの xx に 1 つの yy しかたいおうできませんでした。 媒介ばいかい変数へんすう使つかえば、 おなxxことなる yyきょくせん (えん楕円だえん・サイクロイド) もぜんあらわせます。 物理ぶつりでは tt時間じかんかいしゃくすればそのままどうあらわ強力きょうりょくどうになります。

1. 媒介ばいかい変数へんすう表示ひょうじとは

基本きほんかんがかた

xxyy直接ちょくせつむすばず、 だい 3 の変数へんすうttかいして

{x=f(t)y=g(t)\begin{cases} x = f(t)\\ y = g(t) \end{cases}

方法ほうほう媒介変数表示ばいかいへんすうひょうじいます。 ttあたいを 1 つめるとへいめんじょうの点(x,y)(x,y) が 1 つまり、 ttうごかすとてん軌跡きせき をえがきます。

れい 1: 直線ちょくせんのパラメータ表示ひょうじ

A(1,2)\mathrm{A}(1, 2)とおり、 ほうこうベクトルべくとる d=(3,1)\vec{d}=(3,1)ちょくせん

{x=1+3ty=2+t\begin{cases} x = 1 + 3t\\ y = 2 + t \end{cases}

tt消去しょうきょすると t=y2t=y-2、 これをだい 1 しき代入だいにゅうして x=1+3(y2)x=1+3(y-2)、 つまり x=3y5x=3y-5

れい 2: 放物線ほうぶつせんのパラメータ表示ひょうじ

y=x2y = x^{2} はそのまま x=t,y=t2x=t, y=t^{2}けます。

2. えん楕円だえんのパラメータ表示ひょうじ

単位たんいえん

中心ちゅうしん (0,0)(0,0)はんけい 1 の 単位円たんいえん は、 角θ\theta媒介変数ばいかいへんすうとして

x=cosθ,y=sinθ(0θ<2π)x = \cos\theta,\quad y = \sin\theta\quad (0\le\theta < 2\pi)

けます。 cos2θ+sin2θ=1\cos^{2}\theta+\sin^{2}\theta=1 より x2+y2=1x^{2}+y^{2}=1ます。

一般いっぱんえん

中心ちゅうしん (a,b)(a,b)はんけい rrえん

x=a+rcosθ,y=b+rsinθx = a + r\cos\theta,\quad y = b + r\sin\theta

楕円だえん

はんけい aaたんはんけい bb楕円だえん

x=acosθ,y=bsinθ(0θ<2π)x = a\cos\theta,\quad y = b\sin\theta\quad (0\le\theta < 2\pi)

cosθ=x/a,sinθ=y/b\cos\theta=x/a, \sin\theta=y/bcos2+sin2=1\cos^{2}+\sin^{2}=1代入だいにゅうすると

x2a2+y2b2=1\frac{x^{2}}{a^{2}} + \frac{y^{2}}{b^{2}} = 1

第 5 しょうくわしくまな楕円だえんひょうじゅんかたちです。

3. サイクロイド

定義ていぎしき

はんけい aaえんちょくせんじょうすべらずにころがすとき、 円上えんじょうの 1 てんがえがく曲線きょくせんサイクロイドさいくろいどびます。 えんが角θ\theta だけ回転かいてんしたとき、 接触せっしょくてんながaθa\theta だけすすんでいるから、 中心ちゅうしん(aθ,a)(a\theta, a)円上えんじょうの点P\mathrm{P} はその中心ちゅうしんから角θ-\theta (+y+yほうこうから時計とけいまわり) のにあるので

{x=a(θsinθ)y=a(1cosθ)\begin{cases} x = a(\theta - \sin\theta)\\ y = a(1 - \cos\theta) \end{cases}

サイクロイドの性質せいしつ

せいしつないよう
1 周期しゅうきよこはば2πa2\pi a
最高さいこうてんたか2a2a (θ=π\theta=\piy=2ay=2a)
1 周期しゅうきちょう8a8a (大学だいがくけいさん)
1 周期しゅうきじくかこ面積めんせき3πa23\pi a^{2}

例題れいだい 1

a=1a=1 のサイクロイドの θ=π/2\theta = \pi/2 における座標ざひょうもとめよ。

かい: x=π/2sin(π/2)=π/21x=\pi/2-\sin(\pi/2)=\pi/2-1y=1cos(π/2)=1y=1-\cos(\pi/2)=1。 よって (π/21,1)(\pi/2-1, 1)

物理ぶつりとのつながり

サイクロイドさいくろいど最速降下線さいそくこうかせん (ブラキストクロン) のかいとしてられ、 さらに 等時曲線とうじきょくせん (出発しゅっぱつてんがどこであっても最下さいかてんまでおなかんでつく) でもある、 物理ぶつりがくじょう重要じゅうようきょくせんです。

4. アステロイドとその仲間なかま

アステロイド

ほしかたち 4 つのとがりをきょくせんアステロイドあすてろいどびます。

x=acos3θ,y=asin3θx = a\cos^{3}\theta,\quad y = a\sin^{3}\theta

(xa)2/3=cos2θ\left(\dfrac{x}{a}\right)^{2/3} = \cos^{2}\theta(ya)2/3=sin2θ\left(\dfrac{y}{a}\right)^{2/3} = \sin^{2}\theta であり、 cos2θ+sin2θ=1\cos^{2}\theta + \sin^{2}\theta = 1 より

x2/3+y2/3=a2/3x^{2/3} + y^{2/3} = a^{2/3}

これははんけい aaえん内側うちがわを、 はんけい a/4a/4ちいさいえんすべらずにころがるときのせき (ないサイクロイド) としてられます。

心臓しんぞうがた (カージオイド)

ρ=a(1+cosθ)\rho = a(1+\cos\theta) (極座標きょくざひょう表示ひょうじ)

だい 3 しょうまな極方程式きょくほうていしきあらわされるしんぞう形 (カージオイド) も、 はんけい a/2a/2えんおなおおきさのえん外側そとがわころがすときのせきです。

5. リサジュー曲線きょくせん

定義ていぎ

xxほうこうyyほうこうことなる周期しゅうき単振動たんしんどうするてんがえがくきょくせんリサジュー曲線りさじゅーきょくせんびます。

x=Asin(pt+δ),y=Bsin(qt)x = A\sin(p t + \delta),\quad y = B\sin(q t)

p,qp, qそうδ\deltaきょくせんかたちわります。

代表だいひょうてきかたち

p:qp:qそうδ\deltaかたち
1:11:100ちょくせん (傾きかたむき B/AB/A)
1:11:1π/2\pi/2楕円だえん
1:21:2π/2\pi/2\inftyかたち (よこ 8 の)
2:32:300むすじょうふくざつかたち

物理ぶつりとのつながり

オシロスコープおしろすこーぷxx軸・yy軸にことなるしゅうすうしんごう入力にゅうりょくすると、 リサジューきょくせん表示ひょうじされます。 かたちからしゅうかずそう差をるのが古典こてんてきしゅう数測てい方法ほうほうです。

6. 媒介ばいかい変数へんすう表示ひょうじでの微分びぶん

接線せっせん傾きかたむき

ばいかいへんすう表示ひょうじx=f(t),y=g(t)x=f(t), y=g(t)あらわされるきょくせん接線せっせん傾きかたむき

dydx=dy/dtdx/dt=g(t)f(t)(f(t)0)\frac{dy}{dx} = \frac{dy/dt}{dx/dt} = \frac{g'(t)}{f'(t)}\quad (f'(t)\neq 0)

例題れいだい 2 (サイクロイドの接線せっせん)

x=a(θsinθ),y=a(1cosθ)x = a(\theta-\sin\theta), y = a(1-\cos\theta)θ=π/2\theta=\pi/2 におけるせっせん傾きかたむきもとめよ。

かい:

dxdθ=a(1cosθ),dydθ=asinθ\frac{dx}{d\theta} = a(1-\cos\theta),\quad \frac{dy}{d\theta} = a\sin\theta

dydx=asinθa(1cosθ)=sinθ1cosθ\frac{dy}{dx} = \frac{a\sin\theta}{a(1-\cos\theta)} = \frac{\sin\theta}{1-\cos\theta}

θ=π/2\theta=\pi/2sin(π/2)=1,cos(π/2)=0\sin(\pi/2)=1, \cos(\pi/2)=0 より傾きかたむき11=1\dfrac{1}{1}=1

速度そくど加速度かそくど (物理ぶつり)

tt時間じかんると、 ばいかいへんすう表示ひょうじぶんはそのまま 速度ベクトルそくどべくとる

v=(dxdt,dydt)\vec{v} = \left(\frac{dx}{dt}, \frac{dy}{dt}\right)

あらわし、 もう 1 かいぶんすると 加速度ベクトルかそくどべくとる になります。 物理ぶつり数学すうがくをつなぐ重要じゅうようどうです。

7. 媒介ばいかい変数へんすう消去しょうきょする練習れんしゅう

三角さんかく関数かんすうふく場合ばあい

sin2+cos2=1\sin^{2}+\cos^{2}=11+tan2=sec21+\tan^{2}=\sec^{2}使つかいます。

れい: x=2cost,y=3sintx=2\cos t, y=3\sin tcost=x/2,sint=y/3\cos t = x/2, \sin t = y/3x24+y29=1\dfrac{x^{2}}{4}+\dfrac{y^{2}}{9}=1 (楕円だえん)。

1 関数かんすうはい場合ばあい

直接ちょくせついて代入だいにゅうします。

れい: x=t+1,y=t2x=t+1, y=t^{2}t=x1t=x-1y=(x1)2y=(x-1)^{2} (放物線ほうぶつせん)。

例題れいだい 3

x=t1t,y=t+1tx=t-\dfrac{1}{t}, y=t+\dfrac{1}{t} (t0t\neq 0) であらわされるきょくせんもとめよ。

かい: y2x2=(t+1/t)2(t1/t)2=4y^{2}-x^{2} = (t+1/t)^{2} - (t-1/t)^{2} = 4。 よって y2x2=4y^{2}-x^{2}=4 (双曲線そうきょくせん)。

8. まとめ — 曲線きょくせん設計せっけい

ばいかいへんすう表示ひょうじは、 「y=f(x)y=f(x) ではけないふくざつきょくせんせっけい」 です。

表示ひょうじてんれい
y=f(x)y=f(x)xx から yy直接ちょくせつもとまるぶつ線、 指数関数しすうかんすう
ばいかいへんすう (x,y)=(f(t),g(t))(x,y)=(f(t),g(t))自己じこ交差こうさやループもあらわせるえんサイクロイドさいくろいど・リサジュー
極方程式きょくほうていしき r=f(θ)r=f(\theta) (Ch3)中心ちゅうしんからのきょかくあらわしんぞう形・ばら曲線ばらきょくせん

しょうまつまとめ

  • ばいかいへんすう表示ひょうじ = (x,y)=(f(t),g(t))(x,y) = (f(t), g(t))
  • えん = (cosθ,sinθ)(\cos\theta, \sin\theta)楕円だえん = (acosθ,bsinθ)(a\cos\theta, b\sin\theta)
  • サイクロイドさいくろいど = (a(θsinθ),a(1cosθ))(a(\theta-\sin\theta), a(1-\cos\theta))
  • せっせん傾きかたむき = dy/dtdx/dt\dfrac{dy/dt}{dx/dt}
  • tt時間じかんると物理ぶつり速度そくど加速度かそくど につながる
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がくしゅうロードマップ(10けん
  1. 1ベクトル (空間くうかんベクトル中心ちゅうしん外積がいせき行列ぎょうれつ・1 変換へんかんは 【発展はってん】)
  2. 2媒介ばいかい変数へんすう表示ひょうじ (サイクロイド・リサジュー)
  3. 3極座標きょくざひょう (ごく方程式ほうていしきごく面積めんせき)
  4. 4円錐えんすい曲線きょくせん (えん楕円だえん双曲線そうきょくせん放物線ほうぶつせん総論そうろん)
  5. 5楕円だえん (定義ていぎ焦点しょうてん離心率りしんりつ)
  6. 6双曲線そうきょくせん (定義ていぎ漸近ぜんきんせん)
  7. 7放物線ほうぶつせん (じゅんせん焦点しょうてん)
  8. 8複素数ふくそすう平面へいめん発展はってん (回転かいてん拡大かくだい)
  9. 9ごく形式けいしき幾何きかへの応用おうよう
  10. 10ド・モアブルの定理ていり (n 乗根じょうこん)