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面積は出るのに周長は出ない?楕円と楕円積分

楕円の面積は で、積分すら要りません。ところが周の長さは、初等関数で書けない。

でも でも でも表せない量です。楕円積分という別の関数が必要になります[1]。

周長を式にする

をたどる速さは 。これを 1 周ぶん積分したものが周長。

を使うと、根号の中が でまとまります。

この積分を第 2 種完全楕円積分といい、 と書きます。周長は [1]。

なら根号が になり、。 で円周に戻る。

なぜ書けないのか

は、置きかえてもうまくほどけません。 と置くと が出てきます。

根号の中が 次式。この形の積分は、初等関数の組み合わせでは書けないことが知られています。

次や 次の式の平方根が入ると、積分が新しい関数を要求する。楕円積分という名前も、この楕円の周長から来ています。

面積が簡単に出るのは、円を縦につぶす変換が面積を一定の比で変えるからでした。

長さはその比で変わりません。斜めの部分ほど縮み方が違うので、円の周長から持ち帰れない。

ラマヌジャンの近似

正確な値が要るときは数値計算になりますが、手で使える近似式があります。ラマヌジャンが 年から 年に出したものです[1]。

もう 1 つ、さらに精度の高い形もあります。 と置く。

は楕円のつぶれ具合を表す量。円なら で、括弧の中が になって に戻ります。

例:、 で比べる

真の値は 。数値積分で求めた値です。

ラマヌジャンの 1 つめに入れると 。

桁まで合いました。手で計算できる式としては十分な精度です。

素朴な なら 。 パーセントほど大きく出ます[1]。

のほうは小さく出る。真の値は、この 2 つのあいだにあります。

例:地球の軌道

地球の公転軌道は楕円で、離心率は 。ほとんど円です。

が小さいときの近似式は 。 なので、括弧の中は になります。

円周との差は パーセント。半径 億 km で 万 km ほどの違いです。

見た目では円と区別がつかない。それでも面積速度や季節の長さには効いてきます。

例:離心率ごとの縮み方

を離心率ごとに並べます。円周を としたときの比。

離心率

を に近づけると、楕円は線分につぶれる。長さ の線分を往復するので、周長は 。

が下限です。どんなに細長くしても、円周の パーセントより短くはならない。

面積のほうは なので、 を にすると まで落ちます。周長には下限があり、面積にはない。

級数で書く

は級数に展開できます。 が小さいところでは、はじめの数項で足ります。

第 1 項が円周、第 2 項からがつぶれによる縮み。係数が急に小さくなるので、 が くらいまでなら 2 項で足ります。

が に近い細長い楕円では収束が遅くなる。そういうときこそ、ラマヌジャンの式が効きます。

面積とのちがい

面積は円を縦に 倍する変換で出せました。長さのほうは、この手が通りません[2]。

縦だけを縮めると、横向きの部分は縮まず、縦向きの部分だけが縮みます。線分の向きによって縮み方が違う。

だから円周に一定の数を掛けても、楕円の周長にはなりません。ここが面積と長さの分かれ目です。

面積

と書ける。円の面積に を掛けるだけ

周長

初等関数では書けない。楕円積分か近似式が要る

つまずきやすいところ

を周長の公式だと覚えてしまう誤りが多いところ。これは近似ですらなく、必ず小さめの値になります。

という形も見かけますが、これも別の近似。 と が離れるほどずれが大きくなる。

楕円積分の は、母数の書き方が資料によって と で分かれます。数値表を引くときは、どちらで書かれているかを確かめる[3]。

の楕円で、 はどの値になりますか。

__RESULT__

なら で です。 で円周に戻ります。

近似のほうも確かめます。

、 をラマヌジャンの 1 つめの式に入れるとどうなりますか。

__RESULT__

です。半径 の円周と一致します。

面積は掛け算 1 つで出るのに、周長には新しい関数が要る。同じ楕円から出てくる 2 つの量で、これほど手ざわりが違うのは面白いところです[4]。

参考

Ellipse. Wolfram MathWorld.
Jean-Marc Decauwert. *Coniques*. Maths en Ligne, Université Joseph Fourier, Grenoble.
Daniel Perrin. *Un memento sur les coniques*. Université Paris-Saclay.
*Kegelschnitte*. linalg.ch.
楕円の面積は $\pi ab$ で掛け算 1 つ。周の長さのほうは初等関数で書けず、$4aE(e)$ という楕円積分になります。根号の中が $4$ 次式になるためです。手で使うならラマヌジャンの $\pi[3(a+b) - \sqrt{(a+3b)(3a+b)}]$ が $5$ 桁まで合う。$\pi(a+b)$ は必ず小さめに出ます。円をつぶす変換で面積は持ち帰れても長さは持ち帰れない理由、細長くしても円周の $63.7$ パーセントより短くならない話まで。