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}

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