曲線の長さ 積分 公式
【公式】 ○媒介変数表示で表される曲線 x=f(t), y=g(t) の区間 α≦t≦β における曲線の長さは ○ x, y 直交座標で表される曲線 y=f(x) の区間 a≦x≦b における曲線の長さは ○極座標で表される曲線 r=f(θ) の区間 α≦θ≦β における曲線の長さは ※極座標で表される曲線の長さの公式は,高校向けの教科書や参考書には掲載されていないが,媒介変数表示で表される曲線と解釈すれば解ける. ( [→例] ) (解説) ピタグラスの定理(三平方の定理)により,横の長さが Δx ,縦の長さが Δy である直角三角形の斜辺の長さ ΔL は したがって ○ x, y 直交座標では x=t とおけば上記の公式が得られる. 曲線の長さ 積分 サイト. により 図で言えば だから ○極座標で r=f(θ) のとき,媒介変数を θ に選べば となるから 極座標で r が一定ならば,弧の長さは dL=rdθ で求められるが,一般には r も変化する. そこで, の形になる
曲線の長さ 積分 サイト
単純な例ではあったが, これもある曲線に沿って存在する量について積分を実行していることから線積分の一種である. 一般に, 曲線 上の点 \( \boldsymbol{r} \) にスカラー量 \(a(\boldsymbol{r}) \) が割り当てられている場合の線積分は \[ \int_{C} a (\boldsymbol{r}) \ dl \] 曲線 上の各点 が割り当てられている場合の線積分は次式であらわされる. \[ \int_{C} a (\boldsymbol{r}) \ dl \quad. \] ある曲線 上のある点の接線方向を表す方法を考えてみよう. 点 \(P \) を表す位置ベクトルを \( \boldsymbol{r}_{P}(x_{P}, y_{P}) \) とし, 点 のすぐ近くの点 \(Q \) \( \boldsymbol{r}_{Q}(x_{Q}, y_{Q}) \) とする. このとき, \( \boldsymbol{r}_{P} \) での接線方向は \(r_{P} \) \( \boldsymbol{r}_{Q} \) へ向かうベクトルを考えて, を限りなく に近づけた場合のベクトルの向きと一致することが予想される. 【高校数学Ⅲ】曲線の長さ（媒介変数表示・陽関数表示・極座標表示） | 受験の月. このようなベクトルを 接ベクトル という. が共通する媒介変数 を用いて表すことができるならば, 接ベクトル \( \displaystyle{ \frac{d \boldsymbol{r}}{dt}} \) を次のようにして計算することができる. \[ \frac{d \boldsymbol{r}}{dt} = \lim_{t_{Q} – t_{P} \to 0} \frac{ \boldsymbol{r}_{Q} – \boldsymbol{r}_{P}}{ t_{Q} – t_{P}} \] また, 接ベクトルと大きさが一致して, 大きさが の 単位接ベクトル \( \boldsymbol{t} \) は \[ \boldsymbol{t} = \frac{d \boldsymbol{r}}{dt} \frac{1}{\left| \frac{d \boldsymbol{r}}{dt} \right|} \] このような接ベクトルを用いることで, この曲線が瞬間瞬間にどの向きへ向かっているかを知ることができ, 曲線上に沿ったあるベクトル量を積分することが可能になる.
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. 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. 曲線の長さ 積分 証明. 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.