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媒介変数の曲線は「t の増減表」でどこまで描けるのか

媒介変数で表された曲線では、 を別々に追います。 で微分した つの符号を並べた表が、そのまま概形の設計図になります[1]

が増えているか減っているか、 が増えているか減っているか。 つの向きを組み合わせると、点がどちらへ進むかが決まります。

を進めると、点は左へ動いてから右へ折り返します。 が減ってから増える向きに変わる瞬間が、いちばん左の点です。

対称性を先に調べる

を別の値に置きかえて、 がどう変わるかを見ます。手数が半分になることも多い。

が同じ、 が符号を変えるなら、 軸について対称です。
が符号を変え、 が同じなら、 軸について対称。
で両方が符号を変えるなら、原点について対称です。
で同じ点に戻るなら、 ごとに同じ形を繰り返します。
を入れかえた形になるなら、直線 について対称です。

なら、 にすると はそのまま、 は符号が反転。 軸について対称と分かります。

対称なら、 の側だけ調べて折り返せば済みます。

t の増減表を作る

になる点で、区間を区切ります。

区切りは です。この 区間で、 つの符号を並べます。

段の符号を読むと、点の進む向きが 通りに分かれます。左上へ、左下へ、右下へ、右上へ。

では なので、接線が縦を向きます。 では で、接線は横向き[2]

例:通る点を書き出す

区切りの に対応する点を計算します。表と図を結びつける作業です。

のとき
のとき で、接線は横向き。
のとき で、接線は縦向き。
のとき で、接線は横向き。
のとき、どちらも

最後の行が節点です。違う の値が同じ点を指しているので、曲線が自分自身と交わります。

尖点と節点

が同時に になる点では、曲線がとがることがあります。尖点と呼ばれる形です。

サイクロイドが地面に触れる瞬間がその例。速度が になり、向きが急に変わります。

節点は別の現象です。 つの異なる が同じ点を指すときに起こります。接線は 本あり、どちらもなめらか[3]

尖点

つの で速度が になる。曲線がとがり、進む向きが折り返す

節点

つの が同じ点を指す。曲線が自分と交わり、接線が 2 本になる

接線が特別になる点

かつ なら、接線は横向きです。
かつ なら、接線は縦向き。
両方が なら、極限を計算して傾きを調べます。
節点では、 の値ごとに傾きが違います。 本とも求めます。

の曲線で、 の点はどうなるか。

  • 接線が横向きになる
  • 尖点になる
  • 節点になる
__RESULT__

が同時に になります。原点で曲線がとがり、進む向きが折り返します。

描く手順

対称性を調べ、調べる範囲を狭めます。
を計算し、 になる を求めます。
その で区間を区切り、 段の符号表を作ります。
区切りの に対応する点と、接線の向きを書き出します。
点を順につなぎ、対称性を使って残りを描きます。

の式に直す必要はありません。 つの増減を並べるだけで、形が決まります。

としたとき が変わらず の符号だけが変わる曲線は、何について対称か。

  • 原点
__RESULT__

同じ に対して 点が対になります。上下に折り返した形なので、 軸についての対称です。

対称性と増減表。この つがそろえば、見たことのない曲線でも形が出せます。

参考文献

Parametric equation - Wikipedia
Dérivées usuelles - Wikipédia(フランス語)
Derivatives and the Shape of a Graph - Calculus Volume 1, OpenStax
$y$ を $x$ の式に直さなくても、$dx/dt$ と $dy/dt$ の符号を 2 段に並べれば形が決まります。$x = t^2-1$、$y = t^3-3t$ を例に、点が左へ動いてから折り返し、$(2, 0)$ で自分と交わるまでを追いました。$t \to -t$ で対称性を先に調べると手数が半分に。尖点と節点のちがい、接線が縦や横を向く条件も整理します。