質問<681>
「「アステロイドの積分」」
日付 2001/10/21
質問者 明日手ロイド


アステロイドっててっきり小惑星帯かと思ってました。
そうしたら、x=a*co\(s^{3}\)t,y=a*si\(n^{3}\)t
の媒介変数で表せるとげとげの図形らしいのです。

周囲の長さ、面積、回転体の体積を出せという問題が
出ているのですが、さてどうすればよろしいでしょうか。
3倍角の公式を使ってみたり、いろいろやってみたのですが情けない事
に歯が立たないのです。
よろしくお願いいたします。

お返事(武田)
日付 2001/11/1
回答者 武田



①周囲の長さは線積分より、
   π/2   dx    dy
L=4∫ \(\sqrt{\quad}\){(――)2 +(――)2 }dt
   0    dt    dt

{x=acos3
{y=asin3
tで微分して、
dx
――=a・3cos2 t・(-sint)=-3asintcos2
dt

dy
――=a・3sin2 t・cost=3asin2 tcost
dt

   dx    dy
\(\sqrt{\quad}\){(――)2 +(――)2
   dt    dt

=\(\sqrt{\quad}\)(9a2 sin2 tcos4 t+9a2 sin4 cos2 t)
=\(\sqrt{\quad}\){9a2 sin2 tcos2 t(cos2 t+sin2 t)}
=3asintcost

 3a
=――sin2t
 2

   π/2 3a         π/2
L=4∫  ――sin2tdt=6a∫  sin2tdt
   0  2          0

     -cos2t π/2
 =6a[―――――]
       2  0

     1   1
 =6a{―-(-―)}=6a………(答)
     2   2

②③は、Hoshinoさんの解答をご覧ください。

お便り
日付 2001/11/1
回答者 hoshino


asteroid っていうのはギリシャ語の「星」から来ているのですよ。
アスターっていう花があるでしょ ? あとアストロノートとか。

d\(\frac{x}{d}\)t = -3a co\(s^{2}\) t sin t,
d\(\frac{y}{d}\)t = 3a si\(n^{2}\) t cos t.
故に
d\(x^{2}\) + d\(y^{2}\)
= (3a\()^{2}\) (co\(s^{4}\) t si\(n^{2}\) t + si\(n^{4}\) t co\(s^{2}\) t)d\(t^{2}\)
= (3a co\(s^{2}\) t si\(n^{2}\) t\()^{2}\) (co\(s^{2}\) t + si\(n^{2}\) t)d\(t^{2}\)
= (3a co\(s^{2}\) t si\(n^{2}\) t dt\()^{2}\).
あとは頑張れば周の長さが出るでしょう。

面積は
y dx = 3a si\(n^{3}\) t ×3a si\(n^{2}\) t cos t dt
= 9a si\(n^{5}\) t cos t dt.
ここで s = sin t と変換すれば ds = cos t dt ですから
y dx = 9a \(s^{5}\) ds.
あとは出来るでしょう。

回転体の体積についても
π\(y^{2}\) dx
= π×9\(a^{2}\) si\(n^{6}\) t × 3a si\(n^{2}\) t cos t dt
= 27π\(a^{3}\) si\(n^{8}\) t cos t dt
ですが, 面積の時と同じ置換をすれば出来ますね。