間違いしかありません.コメントにてご指摘いただければ幸いです(気が付いた点を特に断りなく頻繁に書き直していますのでご注意ください).

多角形D上の点から任意の点への距離の二乗の平均値(グリーンの定理を用いて面積分を周回積分にして求める)

グリーンの定理(Green's theorem)

閉曲線Cで囲まれた領域Dを考える場合,C1級凾数P(x,y),Q(x,y)について以下が成り立つ。 D(Q(x,y)xP(x,y)y)dxdy=CP(x,y)dx+Q(x,y)dy

面積分を周回積分へ変形し,区間毎の線積分に展開する

x,yから点(p,q)までの距離の二乗は r2={(xp)2+(yq)2}2=(xp)2+(yq)2 であり,多角形D上の点(x,y)から任意の点(p,q)への距離の二乗の平均値r2は, r2=Dρ(x,y){(xp)2+(yq)2};dxdy=D1A(xp)2+(yq)2dxdy:ρ(x,y)=1A(,A:D)=1AD(xp)2+(yq)2dxdyXcA(x)dx=cXA(x)dx である.

これをグリーンの定理の式で満たすために例えば Q(x,y)=(xp)2dxP(x,y)=(yq)2dy とおく.これは Q(x,y)xP(x,y)y=(xp)2dx{(yq)2dy}=(xp)2+(yq)2 となり,グリーンの定理の面積分側の被積分凾数を表現できている.
このP,Qを用いて線積分側の 被積分凾数を求めると以下のようになる. r2=Dρ(x,y)r(x,y;p,q)2dxdy=Dρ(x,y){(xp)2+(yq)2}dxdy=D1A{(xp)2+(yq)2}dxdy=1AD{(xp)2+(yq)2}dxdy=1A[D[x{(xp)2dx}y{(yq)2dy}]dxdy]=1A[C{(xp)2dx}dy+{(yq)2dy}dx]=1A{C13(xp)3dy13(yq)3dx}=1A{C13(xp)3dyC13(yq)3dx}=1A{13C(xp)3dy13C(yq)3dx}

{}内の第一項 区間毎の線積分

13C(xp)3dy=13k=1nyk1yk{(ϵky+ζk)p}3dyx=ϵky+ζk(k1k)=13k=1nyk1yk{(ϵky+ζk)33(ϵky+ζk)2p+3(ϵky+ζk)p2p3}dy(AB)3=A33A2B+3AB2B3=13k=1n[14ϵk(ϵky+ζk)4313ϵk(ϵky+ζk)3p+312ϵk(ϵky+ζk)2p2yp3]yk1ykcf(x)dx=cf(x)dx,abxadx=[1a+1xa+1]ab=13k=1[14ϵk{(ϵkyk+ζk)4(ϵkyk1+ζk)4}1ϵk{(ϵkyk+ζk)3(ϵkyk1+ζk)3}p+32ϵk{(ϵkyk+ζk)2(ϵkyk1+ζk)2}p2(ykyk1)p3]=13k=1n[14ϵk{ϵk4(yk4yk14)+4ϵk3ζk(yk3yk13)+6ϵk2ζk2(yk2yk12)+4ϵkζk3(ykyk1)}1ϵk{ϵk3(yk3yk13)+3ϵk2ζk(yk2yk12)+3ϵkζk2(ykyk1)}p+32ϵk{ϵk2(yk2yk12)+2ϵkζk(ykyk1)}p2(ykyk1)p3](ax+b)4(ay+b)4=a4x4a4y4+4a3bx34a3by3+6a2b2x26a2b2y2+4ab3x4ab3y=a4(x4y4)+4a3b(x3y3)+6a2b2(x2y2)+4ab3(xy)(ax+b)3(ay+b)3=a3x3a3y3+3a2bx23a2by2+3ab2x3ab2y=a3(x3y3)+3a2b(x2y2)+3ab2(xy)(ax+b)2(ay+b)2=a2x2a2y2+2abx2aby=a2(x2y2)+2ab(xy)=13k=1n[14ϵk{ϵk4(ykyk1)(yk+yk1)(yk2+yk12)+4ϵk3ζk(ykyk1)(yk2+ykyk1+yk12)+6ϵk2ζk2(ykyk1)(yk+yk1)+4ϵkζk3(ykyk1)}pϵk{ϵk3(ykyk1)(yk2+ykyk1+yk12)+3ϵk2ζk(ykyk1)(yk+yk1)+3ϵkζk2(ykyk1)}+3p22ϵk{ϵk2(ykyk1)(yk+yk1)+2ϵkζk(ykyk1)}p3(ykyk1)](a4b4)=(ab)(a+b)(a2+b2)(a3b3)=(ab)(a2+ab+b2)(a2b2)=(ab)(a+b)=13k=1n(ykyk1)[14ϵk{ϵk4(yk+yk1)(yk2+yk12)+4ϵk3ζk(yk2+ykyk1+yk12)+6ϵk2ζk2(yk+yk1)+4ϵkζk3}pϵk{ϵk3(yk2+ykyk1+yk12)+3ϵk2ζk(yk+yk1)+3ϵkζk2}+3p22ϵk{ϵk2(yk+yk1)+2ϵkζk}p3]=13k=1n(ykyk1)[14{ϵk3(yk+yk1)(yk2+yk12)+4ϵk2ζk(yk2+ykyk1+yk12)+6ϵkζk2(yk+yk1)+4ζk3}p{ϵk2(yk2+ykyk1+yk12)+3ϵkζk(yk+yk1)+3ζk2}+3p22{ϵk(yk+yk1)+2ζk}p3]

ϵk,ζkの代入と整理

ϵk=xkxk1ykyk1ζk=(xk1ykxkyk1)(ykyk1)ϵk3(yk+yk1)(yk2+yk12)+4ϵk2ζk(yk2+ykyk1+yk12)+6ϵkζk2(yk+yk1)+4ζk3=(xkxk1)3(ykyk1)3(yk+yk1)(yk2+yk12)+4(xkxk1)2(ykyk1)2(xk1ykxkyk1)(ykyk1)(yk2+ykyk1+yk12)+6(xkxk1)(ykyk1)(xk1ykxkyk1)2(ykyk1)2(yk+yk1)+4(xk1ykxkyk1)3(ykyk1)3=1(ykyk1)3{(xkxk1)3(yk+yk1)(yk2+yk12)+4(xkxk1)2(xk1ykxkyk1)(yk2+ykyk1+yk12)+6(xkxk1)(xk1ykxkyk1)2(yk+yk1)+4(xk1ykxkyk1)3}=(xk+xk1)(xk2+xk12)ϵk2(yk2+ykyk1+yk12)+3ϵkζk(yk+yk1)+3ζk2=(xkxk1)2(ykyk1)2(yk2+ykyk1+yk12)+3(xkxk1)(ykyk1)(xk1ykxkyk1)(ykyk1)(yk+yk1)+3(xk1ykxkyk1)2(ykyk1)2=1(ykyk1)2{(xkxk1)2(yk2+ykyk1+yk12)+3(xkxk1)(xk1ykxkyk1)(yk+yk1)+3(xk1ykxkyk1)2}=xk2+xkxk1+xk12ϵk(yk+yk1)+2ζk=(xkxk1)(ykyk1)(yk+yk1)+2(xk1ykxkyk1)(ykyk1)=1(ykyk1){(xkxk1)(yk+yk1)+2(xk1ykxkyk1)}=xk+xk1

{}内の第一項 整理後

13C(xp)3dy=13k=1n(ykyk1)[14{ϵk3(yk+yk1)(yk2+yk12)+4ϵk2ζk(yk2+ykyk1+yk12)+6ϵkζk2(yk+yk1)+4ζk3}p{ϵk2(yk2+ykyk1+yk12)+3ϵkζk(yk+yk1)+3ζk2}+3p22{ϵk(yk+yk1)+2ζk}p3]=13k=1n(ykyk1)[14{(xk+xk1)(xk2+xk12)}p(xk2+xkxk1+xk12)+3p22(xk+xk1)p3]=112k=1n(ykyk1){(xk+xk1)(xk2+xk12)}p3k=1n(ykyk1)(xk2+xkxk1+xk12)+p22k=1n(ykyk1)(xk+xk1)p33k=1n(ykyk1)=112k=1n(ykyk1){(xk+xk1)(xk2+xk12)}p3k=1n(ykyk1)(xk2+xkxk1+xk12)+p22k=1n(ykyk1)(xk+xk1)k=1n(ykyk1)=0(y)

{}内の第二項 整理後

13C(yq)3dx=[112k=1n(xkxk1){(yk+yk1)(yk2+yk12)}q3k=1n(xkxk1)(yk2+ykyk1+yk12)+q22k=1n(xkxk1)(yk+yk1)]

項毎に計算したものをまとめる

r2=1A{13C(xp)3dy13C(yq)3dx}=1A[[112k=1n(ykyk1){(xk+xk1)(xk2+xk12)}p3k=1n(ykyk1)(xk2+xkxk1+xk12)+p22k=1n(ykyk1)(xk+xk1)][112k=1n(xkxk1){(yk+yk1)(yk2+yk12)}q3k=1n(xkxk1)(yk2+ykyk1+yk12)+q22k=1n(xkxk1)(yk+yk1)]]=1A[[112k=1n(ykyk1){(xk+xk1)(xk2+xk12)}112k=1n(xkxk1){(yk+yk1)(yk2+yk12)}2p16k=1n(ykyk1)(xk2+xkxk1+xk12)2q{16k=1n(xkxk1)(yk2+ykyk1+yk12)}+p212k=1n(ykyk1)(xk+xk1)+q2{12k=1n(xkxk1)(yk+yk1)}]]=1A[λ+μ2pAXG2qAYG+p2A+q2A]λ=112k=1n(ykyk1){(xk+xk1)(xk2+xk12)}μ=112k=1n(xkxk1){(yk+yk1)(yk2+yk12)}XG=16Ak=1n(ykyk1)(xk2+xkxk1+xk12)(X)YG=16Ak=1n(xkxk1)(yk2+ykyk1+yk12)(Y)A=12k=1n(ykyk1)(xk+xk1)()A=12k=1n(xkxk1)(yk+yk1)()=λ+μA2pXG2qYG+p2+q2=λ+μA+XG22pXG+p2+YG22qYG+q2XG2YG2=λ+μA+(pXG)2+(qYG)2XG2YG2 よってr2は多角形によって事前に決定されるA,XG,YG,λ,μと,点(p,q)が与えられることで決まる.

r2の最小値

r2の最小値となる点(u,v)は,(pXG),(pXG)が0となる点(XG,YG)である.

また,点(XG,YG)からr2の等しい点(p,q)は,以下の式を満たすことになる. r2=λ+μA+(pXG)2+(qYG)2XG2YG2(pXG)2+(qYG)2=r2+XG2+YG2λ+μA(pXG)2+(qYG)2=r2+XG2+YG2λ+μA

多角形D上の点から任意の点への距離の平均値 (グリーンの定理を用いて面積分を周回積分にして求める)

グリーンの定理(Green's theorem)

閉曲線Cで囲まれた領域Dを考える場合,C1級凾数P(x,y),Q(x,y)について以下が成り立つ。 D(Q(x,y)xP(x,y)y)dxdy=CP(x,y)dx+Q(x,y)dy

面積分を周回積分へ変形し,区間毎の積分に展開する

(x,y)から点(p,q)までの距離は r(x,y;p,q)=(xp)2+(yq)2 であり,多角形D上の点x,yから任意の点p,qへの距離の平均値r¯は, r¯=Dρ(x,y)(xp)2+(yq)2dxdy=D1A(xp)2+(yq)2dxdy:ρ(x,y)=1A(,A:D)=1AD(xp)2+(yq)2dxdyXcA(x)dx=cXA(x)dx である.

これをグリーンの定理の式で満たすために例えば Q(x,y)=(xp)2+(yq)2dxP(x,y)=0 とおく.これは Q(x,y)xP(x,y)y=(xp)2+(yq)20=(xp)2+(yq)2 となり,グリーンの定理の面積分側の被積分凾数を表現できている.
このP,Qを用いて周回積分側の 被積分凾数を求めると以下のようになる. r¯=1AD(xp)2+(yq)2dxdy=1AD(Q(x,y)xP(x,y)y)dxdy=1ACP(x,y)dx+Q(x,y)dy=1AC0dx+(D(xp)2+(yq)2dx)dy=1AC((xp)2+(yq)2dx)dy=1AC(u2+v2du)dyu=xp,v=yq=1AC12{uu2+v2+v2ln|u+u2+v2|}dyx2+a2dx=12{xx2+a2+a2ln|x+x2+a2|}+=12AC{(xp)(xp)2+(yq)2+(yq)2ln|(xp)+(xp)2+(yq)2|}dy ここで周回積分を多角形として考える.多角形の各頂点の列を以下のように与えるとする. (x0,y0),(x1,y1),(x2,y2),,(xn,yn)=(x0,y0) 周回積分を多角形の区間ごとに分割し,区間毎の積分の和として以下のようになる. r¯=12AC{(xp)(xp)2+(yq)2+(yq)2ln|(xp)+(xp)2+(yq)2|}dy=12Ak=1n(xk1,yk1)(xk,yk){(xp)(xp)2+(yq)2+(yq)2ln|(xp)+(xp)2+(yq)2|}dy=12Ak=1n{(xk1,yk1)(xk,yk)(xp)(xp)2+(yq)2dy+(xk1,yk1)(xk,yk)(yq)2ln|(xp)+(xp)2+(yq)2|dy}=12Ak=1n{I1k+I2k}I1k=(xk1,yk1)(xk,yk)(xp)(xp)2+(yq)2dyI2k=(xk1,yk1)(xk,yk)(yq)2ln|(xp)+(xp)2+(yq)2|dy

多角形の頂点間線分(辺)に重なる直線の式を求める

多角形の各頂点において今の頂点(xk,yk)とその前の頂点(xk1,yk1)とを通る直線の式は以下のように求められる. yyk1=ykyk1xkxk1(xxk1)θ(p,q)(yq)=θ(xp)xxk1=xkxk1ykyk1(yyk1) xxk1=xkxk1ykyk1(yyk1)x=xkxk1ykyk1(yyk1)+xk1x=xkxk1ykyk1y+xkxk1ykyk1(yk1)+xk1=xkxk1ykyk1y+(xkxk1)(yk1)+xk1(ykyk1)ykyk1=xkxk1ykyk1y+xkyk1+xk1yk1+xk1ykxk1yk1ykyk1=xkxk1ykyk1y+xkyk1+xk1ykykyk1=xkxk1ykyk1y+xk1ykxkyk1ykyk1=ϵky+ζk

区間毎の積分より距離の平均値r¯を求める 第一項I1k

I1k=(xk1,yk1)(xk,yk)(xp)(xp)2+(yq)2dy=I1k(yk)I1k(yk1)I1k(y)=((ϵky+ζk)p)((ϵky+ζk)p)2+(yq)2dyx=ϵky+ζk=((ϵky+ζk)p)((ϵky+ζk)22p(ϵky+ζk)+p2)+(y22qy+q2)dy=(ϵky+ζkp)(ϵk2y2+2ϵkζky+ζk2)2pϵky2pζk+p2+y22qy+q2dy=(ϵky+ζkp)ϵk2y2+2ϵkζky+ζk22pϵky2pζk+p2+y22qy+q2dy=(ϵky+ζkp)(ϵk2+1)y2+2{ϵk(ζkp)q}y+(ζkp)2+q2dy=(ϵky+ζkp)αky2+βky+γkdyαk=ϵk2+1,βk=2{ϵk(ζkp)q},γk=(ζkp)2+q2=ϵkyαky2+βky+γkdy+(ζkp)αky2+βky+γkdy=ϵkyαky2+βky+γkdy+(ζkp)αky2+βky+γkdy=ϵkyαky2+βky+γkdy+(ζkp)αky2+βky+γkdy=ϵk{13αk(αky2+βky+γk)32βk(2αky+βk)8αk2αky2+βky+γk+βk(βk24αkγk)16αk52ln|(2αky+βk)+2αk(αky2+βky+γk)|+C0}+(ζkp){2αky+βk4αkαky2+βky+γk+4αkγkβk28αk32ln|(2αky+βk)+2αk(αky2+βky+γk)|+C1}xax2+bx+cdx=13a(ax2+bx+c)32b(2ax+b)8a2(ax2+bx+c)+b(b24ac)16a52ln|(2ax+b)+2a(ax2+bx+c)|+C0(C0:)ax2+bx+cdx=2ax+b4a(ax2+bx+c)+4acb28a32ln|(2ax+b)+2a(ax2+bx+c)|+C1(C1:)=ϵk{13αk(αky2+βky+γk)32βk(2αky+βk)8αk2αky2+βky+γk+βk(βk24αkγk)16αk52ln|(2αky+βk)+2αk(αky2+βky+γk)|}+(ζkp){2αky+βk4αkαky2+βky+γk+4αkγkβk28αk32ln|(2αky+βk)+2αk(αky2+βky+γk)|}+ϵkC0+(ζkp)C1=ϵk{13αk(αky2+βky+γk)32βk(2αky+βk)8αk2αky2+βky+γk+βk(βk24αkγk)16αk52ln|(2αky+βk)+2αk(αky2+βky+γk)|}+(ζkp){2αky+βk4αkαky2+βky+γk+4αkγkβk28αk32ln|(2αky+βk)+2αk(αky2+βky+γk)|}+CC=ϵkC0+(ζkp)C1(C:)

区間毎の積分より距離の平均値r¯を求める 第二項I2k

I2k=(xk1,yk1)(xk,yk)(yq)2ln|(xp)+(xp)2+(yq)2|dy=yk1yk(yq)2ln|((ϵky+ζk)p)+((ϵky+ζk)p)2+(yq)2|dy=yk1yk(yq)2ln|ϵky+ζkp+((ϵky+ζk)22p(ϵky+ζk)+p2)+(y22qyq2)|dy=yk1yk(yq)2ln|ϵky+ζkp+(ϵk2y2+2ϵkζky+ζk2)2pϵky2pζk+p2+y22qyq2|dy=yk1yk(yq)2ln|ϵky+ζkp+ϵk2y2+y2+2ϵkζky2pϵky2qy+ζk22pζk+p2q2|dy=yk1yk(yq)2ln|ϵky+ζkp+(ϵk2+1)y2+2{ϵk(ζkp)q}y+(ζkp)2q2|dy=yk1yk(yq)2ln|ϵky+ζkp+αky2+βky+γk|dyαk=ϵk2+1,βk=2{ϵk(ζkp)q},γk=(ζkp)2q2 →要:数値計算

区間毎の積分より距離の平均値r¯を求める 第一項I1k+第二項I2k

r¯=12Ak=1n{(xk1,yk1)(xk,yk)(xp)(xp)2+(yq)2dy+(xk1,yk1)(xk,yk)(yq)2ln|(xp)+(xp)2+(yq)2|dy}=12Ak=1n{I1k+I2k}=12Ak=1n{I1k(yk)I1k(yk1)+I2k}

x√(a x^2+b x +c)の積分

xax2+bx+cdx=x(ax+b2a)2b24a+cdxax2+bx+c=(ax+α)2α2+c(ax+α)2=ax2+2aαx+α2,2aα=bα=b2a=2aub2au2b24a+c1aduu=ax+b2ax=ub2aa=2aub2aa=2aub2adxdu=1a,dx=1adu=12a32(2aub)u2b24a+cdu=12a322auu2b24a+cdu12a32bu2b24a+cdu=2a2a32uu2b24a+cdub2a32u2b24a+cdu=1auu2b24a+cdub2a32u2b24a+cdu
1auu2b24a+cdu=1aus12udss=u2b24a+c,dsdu=2u,du=12uds=12asds=12a[23s32+C0]x12dx=23x32+C0(C0:)=13as32+12aC0=13a(u2b24a+c)32+12aC0=13a{(ax+b2a)2b24a+c}32+12aC0=13a{(ax2+bx+b24a)b24a+c}32+12aC0=13a(ax2+bx+c)32+12aC0
b2a32u2b24a+cdu=b2a32(cb24a)(t2+1)cb24adtt=ucb24a,dtdu=1cb24a,du=cb24adtu2+cb24a=(u2+cb24a)cb24acb24a=(cb24a)u2+cb24acb24a=(cb24a)(u2cb24a+1)=(cb24a){(ucb24a)2+1}=(cb24a)(t2+1)=b2a32(cb24a)t2+1dt=b2a32(cb24a){12(tt2+1+ln|t+t2+1|+C1)}x2+a2dx=12(xx2+a2+a2ln|x+x2+a2|+C1)(C1:)=(b316a52bc4a32)(tt2+1+ln|t+t2+1|+C1)=(b316a524abc16a52)(tt2+1+ln|t+t2+1|+C1)=b(b24ac)16a52(tt2+1+ln|t+t2+1|+C1)=b(b24ac)16a52{(ucb24a)(ucb24a)2+1+ln|(ucb24a)+(ucb24a)2+1|+C1}=b(b24ac)16a52{(ax+b2acb24a)(ax+b2acb24a)2+1+ln|(ax+b2acb24a)+(ax+b2acb24a)2+1|+C1}=b(b24ac)16a52{2ax+b4acb24a(ax2+bx+c)4acb2+ln|2ax+b4acb2+4a(ax2+bx+c)4acb2|+C1}ax+b2acb24a=2ax+b4acb2(ax+b2acb24a)2=(2ax+b4acb2)2=4a2x2+4abx+b24acb2(ax+b2acb24a)2+1=4a2x2+4abx+b24acb2+1=4a2x2+4abx+b2+4acb24acb2=4a2x2+4abx+4ac4acb2=4a(ax2+bx+c)4acb2=b(b24ac)16a52{2ax+b4acb22a(ax2+bx+c)+ln|14acb2{(2ax+b)+2a(ax2+bx+c)}|+C1}=b(b24ac)16a52{2ax+b4acb22aa(ax2+bx+c)+ln|(2ax+b)+2a(ax2+bx+c)|ln4acb2+C1}=b(b24ac)16a522ax+b4acb22a(ax2+bx+c)+b(b24ac)16a52ln|(2ax+b)+2a(ax2+bx+c)|b(b24ac)16a52ln4acb2+b(b24ac)16a52C1=b(2ax+b)8a42(ax2+bx+c)+b(b24ac)16a52ln|(2ax+b)+2a(ax2+bx+c)|b(b24ac)16a52ln4acb2+b(b24ac)16a52C1=b(2ax+b)8a2(ax2+bx+c)+b(b24ac)16a52ln|(2ax+b)+2a(ax2+bx+c)|b(b24ac)16a52ln4acb2+b(b24ac)16a52C1
xax2+bx+cdx=1auu2b24a+cdub2a32u2b24a+cdu=13a(ax2+bx+c)32+12aC0b(2ax+b)8a2(ax2+bx+c)+b(b24ac)16a52ln|(2ax+b)+2a(ax2+bx+c)|b(b24ac)16a52ln4acb2+b(b24ac)16a52C11auu2b24a+cdu=13a(ax2+bx+c)32+12aC0b2a32u2b24a+cdu=b(2ax+b)8a2(ax2+bx+c)+b(b24ac)16a52ln|(2ax+b)+2a(ax2+bx+c)|b(b24ac)16a52ln4acb2+b(b24ac)16a52C1=13a(ax2+bx+c)32b(2ax+b)8a2(ax2+bx+c)+b(b24ac)16a52ln|(2ax+b)+2a(ax2+bx+c)|+12aC0b(b24ac)16a52ln4acb2+b(b24ac)16a52C1=13a(ax2+bx+c)32b(2ax+b)8a2(ax2+bx+c)+b(b24ac)16a52ln|(2ax+b)+2a(ax2+bx+c)|+CC=12aC0b(b24ac)16a52ln4acb2+b(b24ac)16a52C1(C:)

√(a x^2+b x +c)の積分

ax2+bx+cdx=(ax+b2a)2b24a+cdxax2+bx+c=(ax+α)2α2+c(ax+α)2=ax2+2aαx+α2,2aα=bα=b2a=u2b24a+c1aduu=ax+b2adudx=a,dx=1adu=1au2b24a+cdu=1a(cb24a)(t2+1)cb24adtt=ucb24a,dtdu=1cb24a,du=cb24adtu2+cb24a=(u2+cb24a)cb24acb24a=(cb24a)u2+cb24acb24a=(cb24a)(u2cb24a+1)=(cb24a){(ucb24a)2+1}=(cb24a)(t2+1)=4acb24a32t2+1dt=4acb24a32{12(tt2+1+ln|t+t2+1|+C0)}x2+a2dx=12(xx2+a2+a2ln|x+x2+a2|+C0)(C0:)=4acb28a32(tt2+1+ln|t+t2+1|+C0)=4acb28a32(tt2+1+ln|t+t2+1|+C0)=4acb28a32(tt2+1+ln|t+t2+1|+C0)=4acb28a32{(ucb24a)(ucb24a)2+1+ln|(ucb24a)+(ucb24a)2+1|+C0}=4acb28a32{(ax+b2acb24a)(ax+b2acb24a)2+1+ln|(ax+b2acb24a)+(ax+b2acb24a)2+1|+C0}=4acb28a32{2ax+b4acb24a(ax2+bx+c)4acb2+ln|2ax+b4acb2+4a(ax2+bx+c)4acb2|+C0}ax+b2acb24a=2ax+b4acb2(ax+b2acb24a)2=(2ax+b4acb2)2=4a2x2+4abx+b24acb2(ax+b2acb24a)2+1=4a2x2+4abx+b24acb2+1=4a2x2+4abx+b2+4acb24acb2=4a2x2+4abx+4ac4acb2=4a(ax2+bx+c)4acb2=4acb28a32{2ax+b4acb22a(ax2+bx+c)+ln|14acb2{(2ax+b)+2a(ax2+bx+c)}|+C0}=4acb28a32{2ax+b4acb22aa(ax2+bx+c)+ln|(2ax+b)+2a(ax2+bx+c)|ln4acb2+C0}=4acb28a322ax+b4acb22a(ax2+bx+c)+4acb28a32ln|(2ax+b)+2a(ax2+bx+c)|4acb28a32ln4acb2+4acb28a32C0=2ax+b4a(ax2+bx+c)+4acb28a32ln|(2ax+b)+2a(ax2+bx+c)|4acb28a32ln4acb2+4acb28a32C0=2ax+b4a(ax2+bx+c)+4acb28a32ln|(2ax+b)+2a(ax2+bx+c)|+CC=4acb28a32ln4acb2+4acb28a32C0(C:)

√(x^2+a^2)の積分

x2+a2dx=a2tan2(θ)+a2a1cos2(θ)dθx=atan(θ),dxdθ=addθtan(θ)=a1cos2(θ),dx=a1cos2(θ)dθ=aa2{tan2(θ)+1}1cos2(θ)dθ=aatan2(θ)+11cos2(θ)dθ=a21cos2(θ)1cos2(θ)dθtan2(θ)+1=sin2(θ)cos2(θ)+1=sin2(θ)+cos2(θ)cos2(θ)=1cos2(θ)=a21cos(θ)1cos2(θ)dθ=a21cos3(θ)dθ=a2[12{tan(θ)1cos(θ)+ln|tan(θ)+1cos(θ)|}+C0]1cos3(θ)dθ=12{tan(θ)1cos(θ)+ln|tan(θ)+1cos(θ)|}+C0(C0:)=a22{tan(θ)1cos(θ)+ln|tan(θ)+1cos(θ)|+C0}=12{a2tan(θ)1cos(θ)+a2ln|tan(θ)+1cos(θ)|+a2C0}=12{a21a2xx2+a2+a2ln|1a(x+x2+a2)|+a2C0}tan(θ)1cos(θ)=1a2xx2+a2,tan(θ)+1cos(θ)=1a(x+x2+a2)=12[xx2+a2+a2{ln|x+x2+a2|ln|a|}+a2C0]lnAB=lnAlnB=12{xx2+a2+a2ln|x+x2+a2|a2ln|a|+a2C0}=12{xx2+a2+a2ln|x+x2+a2|}a22ln|a|+a22C0=12{xx2+a2+a2ln|x+x2+a2|}+CC=a22ln|a|+a22C0(C:)
tan(θ)1cos(θ)=tan(θ)1cos2(θ)=tan(θ)tan2(θ)+11cos2(θ)=sin2(θ)+cos2(θ)cos2(θ)=sin2(θ)cos2(θ)+1=tan2(θ)+1=xa(xa)2+1x=atan(θ)tan(θ)=xa=xax2+a2a2=xa1a2(x2+a2)=xa1ax2+a2=1a2xx2+a2
tan(θ)+1cos(θ)=tan(θ)+1cos2(θ)=tan(θ)+tan2(θ)+11cos2(θ)=sin2(θ)+cos2(θ)cos2(θ)=sin2(θ)cos2(θ)+1=tan2(θ)+1=xa+(xa)2+1x=atan(θ)tan(θ)=xa=xa+x2+a2a2=xa+1a2(x2+a2)=xa+1ax2+a2=1a(x+x2+a2)

cosの逆数(sec)の三乗の積分

1cos3(θ)dθ=sec3(θ)dθsec(θ)=1cos(θ)=1cos(θ)1cos2(θ)dθ=1cos(θ){tan(θ)}dθ{tan(θ)}={sin(θ)cos(θ)}={sin(θ)}1cos(θ)+sin(θ){1cos(θ)}=cos(θ)1cos(θ)+sin(θ)sin(θ)cos2(θ)=cos(θ)cos(θ)+sin2(θ)cos2(θ)=cos2(θ)+sin2(θ)cos2(θ)=1cos2(θ)=tan(θ)cos(θ)sin(θ)cos2(θ)tan(θ)dθfgdx=[fg]fgdx=tan(θ)cos(θ)1cos(θ)tan2(θ)dθ=tan(θ)cos(θ)1cos(θ)sin2(θ)cos2(θ)dθ=tan(θ)cos(θ)sin2(θ)cos3(θ)dθ=tan(θ)cos(θ)1cos2(θ)cos3(θ)dθ=tan(θ)cos(θ){1cos3(θ)cos2(θ)cos3(θ)}dθ=tan(θ)cos(θ){1cos3(θ)1cos(θ)}dθ=tan(θ)cos(θ)1cos3(θ)dθ+1cos(θ)dθ21cos3(θ)dθ=tan(θ)cos(θ)+1cos(θ)dθ=tan(θ)cos(θ)+12ln|1+sin(θ)1sin(θ)|1cos(θ)dθ=12ln|1+sin(θ)1sin(θ)|+C(C:)1cos3(θ)dθ=12{tan(θ)cos(θ)+12ln|1+sin(θ)1sin(θ)|}+CC:=12{tan(θ)cos(θ)+ln|1cos(θ)+tan(θ)|}+C1+sin(θ)1sin(θ)={1cos(θ)+tan(θ)}2=12{sec(θ)tan(θ)+ln|sec(θ)+tan(θ)|}+Csec(θ)=1cos(θ)

cosの逆数(sec)の積分

1cos(θ)dθ=sec(θ)dθsec(θ)=1cos(θ)=1cos(θ)cos(θ)cos(θ)dθ=cos(θ)cos2(θ)dθ=cos(θ)1sin2(θ)dθcos2(θ)=1sin2(θ)=12{cos(θ)1+sin(θ)+cos(θ)1sin(θ)}dθcos(θ)1sin2(θ)=α1+sin(θ)+β1sin(θ)cos(θ)=α(1sin(θ))+β(1+sin(θ))=(α+β)+(αβ)sin(θ){cos(θ)=α+β0=(αβ)sin(θ)sin(θ)θ0,αβ0,α=β.α+β=α+α=2α=cos(θ).α=β=12cos(θ)cos(θ)1sin2(θ)=12cos(θ)1+sin(θ)+12cos(θ)1sin(θ)=12{cos(θ)1+sin(θ)+cos(θ)1sin(θ)}dθ=12{cos(θ)1+sin(θ)dθ+cos(θ)1sin(θ)dθ}=12{cos(θ)u1cos(θ)du+cos(θ)v1cos(θ)dv}u=1+sin(θ),dudθ=cos(θ),dθ=1cos(θ)duv=1sin(θ),dvdθ=cos(θ),dθ=1cos(θ)dv=12(1udu1vdv)=12(ln|u|ln|v|)1xdx=ln|x|+C(C:)=12ln|u||v|logAlogB=logAB=12ln|uv||A||B|=|AB|=12ln|1+sin(θ)1sin(θ)|+CC:=12ln|1+sin(θ)1sin(θ)|+CAlogB=logBA=12ln|{1cos(θ)+tan(θ)}2|+C1+sin(θ)1sin(θ)={1cos(θ)+tan(θ)}2=122ln|1cos(θ)+tan(θ)|+C(AB)1B=A(B1B)=A1=A=ln|1cos(θ)+tan(θ)|+C=ln|sec(θ)+tan(θ)|+C1cos(θ)=sec(θ)
1+sin(θ)1sin(θ)=1+sin(θ)1sin(θ)1+sin(θ)1+sin(θ)={1+sin(θ)}21sin2(θ)(A+B)(AB)=A2B2=1+2sin(θ)+sin2(θ)cos2(θ)1sin2(θ)=cos2(θ),(A+B)2=A2+2AB+B2=1cos2(θ)+2sin(θ)cos2(θ)+sin2(θ)cos2(θ)=1cos2(θ)+21cos(θ)sin(θ)cos(θ)+sin2(θ)cos2(θ)=1cos2(θ)+21cos(θ)tan(θ)+tan2(θ)sin(θ)cos(θ)=tan(θ)={1cos(θ)+tan(θ)}2A2+2AB+B2=(A+B)2

多角形の頂点座標から重心を求める (グリーンの定理を用いて面積分を周回積分にして求める)

グリーンの定理(Green's theorem)

閉曲線Cで囲まれた領域Dを考える場合,C1級凾数P(x,y),Q(x,y)について以下が成り立つ。 D(Q(x,y)xP(x,y)y)dxdy=CP(x,y)dx+Q(x,y)dy

面積分を周回積分へ変形し,区間毎の積分に展開する

Dの重心のX座標XGXG=Dρ(x,y)xdxdy=D1Axdxdy:ρ(x,y)=1A(,A:D)=1ADxdxdyXcA(x)dx=cXA(x)dx であり,これをグリーンの定理の式で満たすために例えば Q(x,y)=12x2P(x,y)=0 とおく(それぞれ一階微分可能で連続(C1級凾数)).これは Q(x,y)xP(x,y)y=x0=x となり,グリーンの定理の面積分側の被積分凾数を表現できている.
このP,Qを用いて周回積分側の 被積分凾数を求めると以下のようになる. XG=1ADxdxdy=1AD(Q(x,y)xP(x,y)y)dxdy=1ACP(x,y)dx+Q(x,y)dy=1AC0dx+12x2dy=1AC12x2dy=12ACx2dy ここで周回積分を多角形として考える.多角形の各頂点の列を以下のように与えるとする. (x0,y0),(x1,y1),(x2,y2),,(xn,yn)=(x0,y0)  

 

 


 周回積分を多角形の区間ごとに分割し,区間毎の積分の和として以下のようになる. XG=12ACx2dy=12Ak=1n(xk1,yk1)(xk,yk)x2dy 同様にDの重心のY座標YGYG=Dρ(x,y)ydxdy=D1Aydxdy:ρ(x,y)=1A(,A:D)=1ADydxdyXcA(x)dx=cXA(x)dx であり,これをグリーンの定理の式で満たすために例えば Q(x,y)=0P(x,y)=12y2 とおく(それぞれ一階微分可能で連続(C1級凾数)).これは Q(x,y)xP(x,y)y=0(y)=y となり,やはりグリーンの定理の面積分側の被積分凾数を表現できている.
このP,Qを用いて周回積分側の 被積分凾数を求めると以下のようになる. YG=1ADydxdy=1AD(Q(x,y)xP(x,y)y)dxdy=1ACP(x,y)dx+Q(x,y)dy=1AC12y2dx+0dy=1AC12y2dx=12ACy2dx X座標同様に周回積分を多角形の区間ごとに分割し,区間毎の積分の和として以下のようになる. YG=12ACy2dx=12Ak=1n(xk1,yk1)(xk,yk)y2dx


多角形の頂点間線分(辺)に重なる直線の式を求める

多角形の各頂点において今の頂点(xk,yk)とその前の頂点(xk1,yk1)とを通る直線の式は以下のように求められる. yyk1=ykyk1xkxk1(xxk1)θ(p,q)(yq)=θ(xp)xxk1=xkxk1ykyk1(yyk1) xxk1=xkxk1ykyk1(yyk1)x=xkxk1ykyk1(yyk1)+xk1x=xkxk1ykyk1y+xkxk1ykyk1(yk1)+xk1=xkxk1ykyk1y+(xkxk1)(yk1)+xk1(ykyk1)ykyk1=xkxk1ykyk1y+xkyk1+xk1yk1+xk1ykxk1yk1ykyk1=xkxk1ykyk1y+xkyk1+xk1ykykyk1=xkxk1ykyk1y+xk1ykxkyk1ykyk1 yyk1=ykyk1xkxk1(xxk1)y=ykyk1xkxk1(xxk1)+yk1=ykyk1xkxk1x+ykyk1xkxk1(xk1)+yk1=ykyk1xkxk1x+(xk1)(ykyk1)+(xkxk1)yk1xkxk1=ykyk1xkxk1x+xk1yk+xk1yk1+xkyk1xk1yk1xkxk1=ykyk1xkxk1x+xk1yk+xkyk1xkxk1=ykyk1xkxk1x+xkyk1xk1ykxkxk1

区間毎の積分より重心を求める

区間毎の積分の和の式における被積分凾数に,先ほど求めた直線の式を代入し積分を行う.まずX座標XGについて進める. XG=12Ak=1n(xk1,yk1)(xk,yk)x2dy=12Ak=1nyk1yk(xkxk1ykyk1y+xk1ykxkyk1ykyk1)2dyx=xkxk1ykyk1y+xk1ykxkyk1ykyk1=12Ak=1nyk1yk{(xkxk1ykyk1y)2+2(xkxk1ykyk1y)(xk1ykxkyk1ykyk1)+(xk1ykxkyk1ykyk1)2}dyx=(A+B)2=A2+2AB+B2=12Ak=1n{yk1yk(xkxk1ykyk1y)2dy+yk1yk2(xkxk1ykyk1y)(xk1ykxkyk1ykyk1)dy+yk1yk(xk1ykxkyk1ykyk1)2dy}X(A(x)+B(x)+C(x))dx=XA(x)dx+XB(x)dx+XC(x)dx=12Ak=1n{(xkxk1ykyk1)2yk1yky2dy+2(xkxk1ykyk1)(xk1ykxkyk1ykyk1)yk1ykydy+(xk1ykxkyk1ykyk1)2yk1ykdy}XcA(x)dx=cXA(x)dx=12Ak=1n{(xkxk1ykyk1)2[13y3]yk1yk+2(xkxk1ykyk1)(xk1ykxkyk1ykyk1)[12y2]yk1yk+(xk1ykxkyk1ykyk1)2[y]yk1yk}=12Ak=1n{13(xkxk1ykyk1)2[y3]yk1yk+122(xkxk1ykyk1)(xk1ykxkyk1ykyk1)[y2]yk1yk+(xk1ykxkyk1ykyk1)2[y]yk1yk}=12Ak=1n{13(xkxk1ykyk1)2(yk3yk13)+(xkxk1ykyk1)(xk1ykxkyk1ykyk1)(yk2yk12)+(xk1ykxkyk1ykyk1)2(ykyk1)} {}の中をまとめる. XG=12Ak=1n{13(xkxk1ykyk1)2(yk3yk13)+(xkxk1ykyk1)(xk1ykxkyk1ykyk1)(yk2yk12)+(xk1ykxkyk1ykyk1)2(ykyk1)}=12Ak=1n1(ykyk1)2{13(xkxk1)2(yk3yk13)+(xkxk1)(xk1ykxkyk1)(yk2yk12)+(xk1ykxkyk1)2(ykyk1)}=12Ak=1n13(ykyk1)2{(xkxk1)2(ykyk1)(yk2+ykyk1+yk12)+3(xkxk1)(xk1ykxkyk1)(ykyk1)(yk+yk1)+3(xk1ykxkyk1)2(ykyk1)}A3B3=(AB)(A2+AB+B2),A2B2=(AB)(A+B)=12Ak=1n(ykyk1)3(ykyk1)2{(xkxk1)2(yk2+ykyk1+yk12)+3(xkxk1)(xk1ykxkyk1)(yk+yk1)+3(xk1ykxkyk1)2}=12Ak=1n13(ykyk1){(xkxk1)2(yk2+ykyk1+yk12)+3(xk1ykxkyk1){(xkxk1)(yk+yk1)+(xk1ykxkyk1)}}=12Ak=1n13(ykyk1){(xkxk1)2(yk2+ykyk1+yk12)+3(xk1ykxkyk1)(xkykxk1yk1)}=12Ak=1n13(ykyk1){(xk22xkxk1+xk12)(yk2+ykyk1+yk12)+3(xk1ykxkyk1)(xkykxk1yk1)}=12Ak=1n13(ykyk1)(xk2yk2+xk2ykyk1+xk2yk122xkxk1yk22xkxk1ykyk12xkxk1yk12+xk12yk2+xk12ykyk1+xk12yk12+3xkxk1yk23xk12ykyk13xk2ykyk1+3xkxk1yk12)=12Ak=1n13(ykyk1)(xk2yk2+xk2yk12+xk12yk2+xk12yk12+xkxk1yk2+xkxk1yk122xk2ykyk12xk12ykyk12xkxk1ykyk1)=12Ak=1n13(ykyk1)(xk2(yk2+yk12)+xk12(yk2+yk12)+xkxk1(yk2+yk12)2ykyk1(xk2+xkxk1+xk12))=12Ak=1n13(ykyk1){(xk2+xkxk1+xk12)(yk2+yk12)2ykyk1(xk2+xkxk1+xk12)}=12Ak=1n13(ykyk1)(xk2+xkxk1+xk12)(yk22ykyk1+yk12)=12Ak=1n13(ykyk1)(xk2+xkxk1+xk12)(ykyk1)2=12Ak=1nykyk13(ykyk1)(xk2+xkxk1+xk12)(ykyk1)=12Ak=1n13(xk2+xkxk1+xk12)(ykyk1)=12A13k=1n(xk2+xkxk1+xk12)(ykyk1)=16Ak=1n(xk2+xkxk1+xk12)(ykyk1) 多角形の頂点座標から,その重心のX座標XGが求められた.
同様に重心のY座標YGは以下のようになる. YG=12Ak=1n(xk1,yk1)(xk,yk)y2dy=12Ak=1nxk1xk(ykyk1xkxk1x+xkyk1xk1ykxkxk1)2dyy=ykyk1xkxk1x+xkyk1xk1ykxkxk1=16Ak=1n(yk2+ykyk1+yk12)(xkxk1)

例:正四角形

(x0,y0),(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),(x4=x0,y4=y0)=(0,0),(1,0),(1,1),(0,1),(0,0)A=1 XG=16Ak=1n(xk2+xkxk1+xk12)(ykyk1)=161{(12+10+02)(00)+(12+11+12)(10)+(02+01+12)(11)+(02+00+02)(01)}=16(0+3+0+0)=163=12 YG=16Ak=1n(yk2+ykyk1+yk12)(xkxk1)=161{(02+00+02)(10)+(12+10+02)(11)+(12+11+12)(01)+(02+01+12)(00)}=16(0+03+0)=16(3)=12 よって重心は以下の点になる. (XG,YG)=(12,12)

例:二等辺三角形

(x0,y0),(x1,y1),(x2,y2),(x3=x0,y3=y0)=(0,0),(1,0),(12,1),(0,0)A=12 XG=16Ak=1n(xk2+xkxk1+xk12)(ykyk1)=1612[(12+10+02)(00)+{(12)2+121+12}(10)+{02+012+(12)2}(01)]=13(0+7414)=1364=12 YG=16Ak=1n(yk2+ykyk1+yk12)(xkxk1)=1612{(02+00+02)(10)+(12+10+02)(121)+(02+01+12)(012)}=13(01212)=13(1)=13 よって重心は以下の点になる. (XG,YG)=(12,13)

多角形の頂点座標から面積を求める (グリーンの定理を用いて面積分を周回積分にして求める)

グリーンの定理(Green's theorem)

閉曲線Cで囲まれた領域Dを考える場合,C1級凾数P(x,y),Q(x,y)について以下が成り立つ。 D(Q(x,y)xP(x,y)y)dxdy=CP(x,y)dx+Q(x,y)dy

面積分を周回積分へ変形し,区間毎の積分に展開する

Dの面積Aは面積分で表すと A=D1dxdy であり,これをグリーンの定理の式で満たすために例えば Q(x,y)=xP(x,y)=0 とおく(それぞれ一階微分可能で連続(C1級凾数)).これは Q(x,y)xP(x,y)y=10=1 となり,グリーンの定理の面積分側の被積分凾数を表現できている.
このP,Qを用いて周回積分側の 被積分凾数を求めると以下のようになる. A=D1dxdy=D(Q(x,y)xP(x,y)y)dxdy=CP(x,y)dx+Q(x,y)dy=C0dx+xdy=Cxdy ここで周回積分を多角形として考える.多角形の各頂点の列を以下のように与えるとする. (x0,y0),(x1,y1),(x2,y2),,(xn,yn)=(x0,y0) 



周回積分を多角形の区間ごとに分割し,区間毎の積分の和として以下のようになる. A=Cxdy=k=1n(xk1,yk1)(xk,yk)xdy


多角形の頂点間線分(辺)に重なる直線の式を求める

多角形の各頂点において今の頂点(xk,yk)とその前の頂点(xk1,yk1)とを通る直線の式は以下のように求められる. yyk1=ykyk1xkxk1(xxk1)θ(p,q)(yq)=θ(xp)xkxk1ykyk1(yyk1)=xxk1xxk1=xkxk1ykyk1(yyk1)x=xkxk1ykyk1(yyk1)+xk1x=xkxk1ykyk1y+xkxk1ykyk1(yk1)+xk1=xkxk1ykyk1y+(xkxk1)(yk1)+xk1(ykyk1)ykyk1=xkxk1ykyk1y+xkyk1+xk1yk1+xk1ykxk1yk1ykyk1=xkxk1ykyk1y+xkyk1+xk1ykykyk1=xkxk1ykyk1y+xk1ykxkyk1ykyk1

区間毎の積分より面積を求める

区間毎の積分の和の式における被積分凾数に,先ほど求めた直線の式を代入する. A=k=1n(xk1,yk1)(xk,yk)xdy=k=1nyk1yk(xkxk1ykyk1y+xk1ykxkyk1ykyk1)dyx=xkxk1ykyk1y+xk1ykxkyk1ykyk1=k=1n{yk1ykxkxk1ykyk1ydy+yk1ykxk1ykxkyk1ykyk1dy}X(A(x)+B(x))dx=XA(x)dx+XB(x)dx=k=1n{xkxk1ykyk1yk1ykydy+xk1ykxkyk1ykyk1yk1ykdy}XcA(x)dx=cXA(x)dx=k=1n{xkxk1ykyk1[12y2]yk1yk+xk1ykxkyk1ykyk1[y]yk1yk}=k=1n{12xkxk1ykyk1[y2]yk1yk+xk1ykxkyk1ykyk1[y]yk1yk}=k=1n{12xkxk1ykyk1(yk2yk12)+xk1ykxkyk1ykyk1(ykyk1)}=k=1n{12xkxk1ykyk1(yk+yk1)(ykyk1)+xk1ykxkyk1ykyk1(ykyk1)}A2B2=(A+B)(AB)=k=1n{12(xkxk1)(yk+yk1)+xk1ykxkyk1}=k=1n{12(xkyk+xkyk1xk1ykxk1yk1)+xk1ykxkyk1}=k=1n{12xkyk+(121)xkyk1+(12+1)xk1yk12xk1yk1}=k=1n{12xkyk12xkyk1+12xk1yk12xk1yk1}=k=1n{12(xkykxkyk1+xk1ykxk1yk1)}=k=1n[12{xk(ykyk1)+xk1(ykyk1)}]=k=1n12(xk+xk1)(ykyk1)=12k=1n(xk+xk1)(ykyk1) 多角形の頂点座標から,その面積が求められた.

例:正四角形

(x0,y0),(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),(x4=x0,y4=y0)=(0,0),(1,0),(1,1),(0,1),(0,0) A=12k=1n(xk+xk1)(ykyk1)=12{(x1+x0)(y1y0)+(x2+x1)(y2y1)+(x3+x2)(y3y2)+(x4+x3)(y4y3)}=12{(1+0)(00)+(1+1)(10)+(0+1)(11)+(0+0)(01)}=12(0+2+0+0)=122=1

例:二等辺三角形

(x0,y0),(x1,y1),(x2,y2),(x3=x0,y3=y0)=(0,0),(1,0),(12,1),(0,0) A=12k=1n(xk+xk1)(ykyk1)=12{(x1+x0)(y1y0)+(x2+x1)(y2y1)+(x3+x2)(y3y2)}=12{(1+0)(00)+(12+1)(10)+(0+12)(01)}=12(0+3212)=121=12