半円の重心を求めるために、次の2つの方法でトライしました
が失敗しました。
1 面積を半分にする、対称軸に垂直な線をひいて、考えた。
2 物理のモーメントを考えた。
半円の重心を求めるために、次の2つの方法でトライしました
が失敗しました。
1 面積を半分にする、対称軸に垂直な線をひいて、考えた。
2 物理のモーメントを考えた。
重心の問題なので、コマの重心の求め方の本を探したところ、
日本評論社発行「新しい高校数学の展望」(1990年)の
58ページに黒田俊郎先生の「コマと重心」というのがあり
ました。三角形、四角形、五角形と説明がある最後に、半円
形のコマの重心というのがありましたが、説明はパプス・ギ
ュルダンの定理によるとしか書いてなかったので、次に、培
風館発行「微分積分学精説」(岩切晴二著)を探しました。
索引にパップスがありましたので、開くと、バッチリ重心の
項でした。「定積分とその応用」の「物理学への応用」の箇
所です。
それによると、曲線の方程式y=f(x)(a≦x≦b)の
_ _
ときの重心G(x,y)は、
_ b dy
x=∫ x\(\sqrt{\quad}\){1+(──)2}dx /L
a dx
_ b dy
y=∫ y\(\sqrt{\quad}\){1+(──)2}dx /L
a dx
ただし、
b dy
L=∫ \(\sqrt{\quad}\){1+(──)2}dx
a dx
で求まるそうだ。パップスの定理はこのあと、曲線の回転し
た表面積Sを求めるのにつながる。
_
S=L・2πy

さて質問の半円の重心は、y=\(\sqrt{\quad}\)(a2-x2)
-a≦x≦aということで計算してみた。
半円周L=πa
_
x=0 _
したがって、yだけを計算する。
_ a dy
y=∫ y\(\sqrt{\quad}\){1+(──)2}dx /L
-a dx
まず、
dy -x
──=───────
dx \(\sqrt{\quad}\)(a2-x2)
より、
_ a a \(\sqrt{\quad}\)(a2-x2)
y=─ ∫ ──────── dx
L -a \(\sqrt{\quad}\)(a2-x2)
a a
=─・【 x 】
L -a
=2a2/πa
=2a/π
したがって、
点G(0,2a/π)……(答)
上のように答えた後、もうちょっと調べてみたら、
点G(0,2a/π)は間違っていました。
上の計算は、半円の重心ではなく、半円周の重心だったの
です。パッポスの定理には、平面図形の重心と平面曲線の重
心の2つがあったのです。上の計算は曲線y=f(x)にお
ける重心を求める公式でした。
では、平面図形の重心は二重積分で求めることになる。
_ _
G’(x,y)は、平面図形の範囲をD、面積をMとすると、
_
x=∫∫ x dxdy /M
D
_
y=∫∫ y dxdy /M
D
ただし
M=∫∫ dxdy
D
パップスの定理はこのあと、平面図形を回転した体積Vを求
めるのにつながる。
_
V=M・2πy

さて質問の半円の重心は、半円周の曲線の方程式が
y=\(\sqrt{\quad}\)(a2-x2)
-a≦x≦aということで計算してみた。
面積M=∫∫ dxdy
D
x=a y=\(\sqrt{\quad}\)(a2-x2)
=∫ dx ∫ dy
x=-a y=0
a
=∫ \(\sqrt{\quad}\)(a2-x2)dx
-a
π/2
=∫ acosθ・acosθdθ
-π/2
=πa2/2
半円の面積は二重積分を使わなくても簡単に出せましたね。
重心は図より、
_
x=0となるから
_
yだけを計算すればよいですね。
_
y=∫∫ y dxdy /M
D
x=a y=\(\sqrt{\quad}\)(a2-x2)
=∫ dx ∫ ydy /M
x=-a y=0
a
=∫ (a2-x2)/2 dx /M
-a
a
=【a2x-x3/3】 /2M
-a
4a3 1
=──・──
3 2M
4a
=──
3π
したがって、
点G’(0,4a/3π)……(答)