ハイポサイクロイド
関連問題
として、媒介変数表示:
,
で表される曲線をハイポサイクロイドと言う。
エピサイクロイド
で、
n
に負の数を入れたものに相当する。
として、半径
の円
に内接したまま、半径
b
の円
が滑ることなく回転していくときに、
の周上の動点
P
が描く曲線がハイポサイクロイドです。
円
の中心が原点
O
で、円
の中心が最初に右図の点
B
にあって点
A
で円
に接しており、
の周上の動点
P
が最初に点
A
にあるとします。
が
と内接しながら回転し、
の中心
Q
が右図のように、
となるような位置まで来たとします。このときに、
(
)
として、動点
P
は、右図のように、
となる位置まで来ます。
このとき、
と
がつねに接するように動くので、弧
と弧
の長さは等しくなります。
,
より、
∴
が
の内側を
1
周したときに、動点
P
がちょうど
n
周して点
A
に戻ってくるものとする
(
これはハイポサイクロイドの
必要条件
ではありません
)
と、
(
動点
P
は負方向に回転していることに注意
)
が、
のときに、
が
の
倍
(
)
になります。よって、
∴
,
・・・@
さて、右図において、
の中心
Q
は、半径
a
の円周上を
x
軸から角
θ
だけ回った位置にあるので、
動点
P
は、@より、半径
の円
の周上を右図で
R
から角
だけ回った位置にあるので、
∴
これより、点
P
の
x
座標、
y
座標について、
,
という媒介変数表示が得られます。
のときは、
,
より、
P
の軌跡は
x
軸の
の部分です。
のときは、媒介変数表示は、
,
図示すると、右図のようになります。
のときは、媒介変数表示は、
,
図示すると、右図のようになります。
とも書けるので、これは、
アステロイド
です。
のときは、媒介変数表示は、
,
図示すると、右図のようになります。
上記のハイポサイクロイドの
曲線の長さ
を求めてみます。
上に示すように、ハイポサイクロイドはへこんだ針金が円周の内側にへばりつくような形をしています。
動点
P
が
の周上に来るのは、
とおくと、
k
を整数として、
,つまり、
のとき。
従って、針金1本分に相当する
θ
の範囲は、
であって、
本の同じ針金ができます。
,
(
)
求める曲線の長さは、
(
不定積分の公式
を参照
)
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