中学社会670081 views
小学算数1203731 views
高校物理162509 views
LaTeX965557 views
MathPython501700 views
高校生物553211 views
数学講師2913151 views
高校国語790013 views
高校化学2933198 views
Computer370048 views
Help
Tools

English

リサジュー曲線と対数螺旋、周期の比と一定の角度で決まる形

と を別々の周期で振らせると、閉じた模様が描けます。リサジュー曲線と呼ばれる形です[1]。

と の比が形を決めます。比が整数どうしなら閉じた図形になり、そうでなければいつまでも閉じません[1]。

比が 対 なら円、 対 なら の字。比の数だけ、横と縦の山ができます[1]。

例:8 の字を調べる

、 を扱います。 で微分します。

は で、そこでは接線が縦向き。

は で、接線は横向きです。

と は、どちらも原点を指します。曲線が自分と交わる節点で、接線が 本ある。

赤い点で曲線が交わります。同じ場所を 回通るので、接線も 本引ける[3]。

対数螺旋

もう つ、指数関数と三角関数を組み合わせた曲線があります[2]。

極座標なら です。角が進むほど、原点からの距離が指数的に伸びていきます。

原点から点へ引いた線と、その点での接線。 本のなす角が、どこで測っても変わりません[2]。

等角性を微分で示す

とします。媒介変数の形で微分します。

とおくと、括弧の中は 倍の回転になります。速度の向きは 。

動径の向きは なので、差は に依存しません。角が一定になる理由です。

のときは で、なす角は 度。オウムガイの殻や台風の渦が、この形に近いと言われます。

の対数螺旋で、動径と接線のなす角はどれか。

  • 度
  • 度
  • 度
__RESULT__

で、 なら です。比が になるので 度になります。

2 つの曲線の共通点

どちらも と を別々の式で与え、 や を進めて点を追います。

リサジューは周期の比、対数螺旋は動径と接線の角。それぞれ、形を決める量が つに絞られている[3]。

リサジュー曲線

周期の比が形を決める。整数の比なら閉じ、山の数が比に一致する

対数螺旋

動径と接線のなす角が一定。角が大きいほど、ゆるやかに巻く

増減表を作るときの注意

リサジューでは、 と が になる が多く出ます。 周ぶんを表に収めると横に長くなる。

対称性を先に調べると短く済みます。、 なら、 で が変わらず が符号を変えます。

対数螺旋では が を満たす角で起こります。 が 進むごとに現れ、無限に続きます。

、 の曲線について正しいものはどれか。

  • 閉じない
  • 閉じた形になる
  • 直線になる
__RESULT__

周期の比が 対 という整数の比なので、 が 進むと同じ点に戻ります。横に 3 つ、縦に 4 つの山ができる形です。

押さえるところ

リサジューは周期の比で山の数が決まります。
整数の比なら閉じ、そうでなければ閉じません。
対数螺旋は動径と接線のなす角が一定です。
その角は で決まります。
どちらも、増減表の前に対称性を調べると手数が減ります。

見慣れない曲線でも、やることは と の符号調べです。形の名前より、手順のほうが大事になります。

参考文献

Lissajous curve - Wikipedia
Logarithmische Spirale - Wikipedia(ドイツ語)
Parametric equation - Wikipedia
$x$ と $y$ を別々の周期で振らせると、比の数だけ山ができます。$1$ 対 $2$ なら 8 の字で、原点は $t=0$ と $t=\pi$ の 2 つが指す節点。比を切り替えて形が変わる様子を動かして見ます。対数螺旋 $r = e^{k\theta}$ では、動径と接線のなす角がどこでも同じ。$k = \tan\alpha$ と置くと、その角が $\theta$ に依存しないことが計算で出ます。