質問<70>
「「楕円の周の長さ」」
日付 98/10/19
質問者 コウスケ


楕円の周の長さはどのようにして求めるのでしょうか?

お返事(武田)
日付 98/10/20
回答者 武田


2  y2
──+──=1 を楕円の式とします。
2  b2

x=asinθ、y=bcosθとおくと、
d\(\frac{x}{d}\)θ=acosθ、d\(\frac{y}{d}\)θ=-bsinθ

周の長さsは線積分で求めます。
   π/2
s=4∫ \(\sqrt{\quad}\){(d\(\frac{x}{d}\)θ)2+(d\(\frac{y}{d}\)θ)2}dθ
    0

一部を先に計算すると、
{(d\(\frac{x}{d}\)θ)2+(d\(\frac{y}{d}\)θ)2
=a2cos2θ+b2sin2θ
=a2(1-sin2θ)+b2sin2θ
=a2-a2sin2θ+b2sin2θ
=a2-(a2-b2)sin2θ
=a2{1-(a2-b2)/a2・sin2θ}

2=(a2-b2)/a2とおくと、
{(d\(\frac{x}{d}\)θ)2+(d\(\frac{y}{d}\)θ)2
=a2(1-k2・sin2θ)

したがって、
   π/2
s=4∫ \(\sqrt{\quad}\){(d\(\frac{x}{d}\)θ)2+(d\(\frac{y}{d}\)θ)2}dθ
    0
   π/2
 =4∫ \(\sqrt{\quad}\){a2(1-k2・sin2θ)}dθ
    0
    π/2
 =4a∫ \(\sqrt{\quad}\)(1-k2・sin2θ)dθ
     0
二項定理より、
    π/2
s=4a∫(1-\(\frac{1}{2}\)・k2・sin2θ+\(\frac{1}{2}\)(-\(\frac{1}{2}\))\(\frac{1}{2}\)!・k4・sin4θ-……)dθ
     0
 =4a(π/2-\(\frac{1}{2}\)・k2・\(\frac{1}{2}\)・π/2+\(\frac{1}{2}\)(-\(\frac{1}{2}\))\(\frac{1}{2}\)!・k4・\(\frac{3}{4}\)・\(\frac{1}{2}\)・π/2-……)
 =2aπ(1-\(\frac{1}{4}\)・k2-\(\frac{3}{64}\)・k4-5/ 256・k6-……)

つまり、楕円の周の長さsは、近似値でしか求まらない。
かなり難しいですね。
例えば、a=10、b=8とすると、
k=3/5より、
s=20π(1-0.09-0.006075-0.00091125-……)
 =20π・0.90301375
 =56.737437529
 ≒56.74