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

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