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English

媒介変数の t は何の角か(楕円の離心角と補助円)

楕円 、つまり と書けます。

この は、原点とその点を結んだ線の角度ではありません。半径 の円の上で測った角。離心角と呼ばれます[1]

補助円をかぶせる

楕円の長半径と同じ半径 の円を、中心をそろえて描きます。この円が補助円[1]

楕円上の点 から 軸に垂線を下ろし、その垂線を上へ延ばして補助円と交わる点を とします。

の座標は なので、 座標が同じです。

の偏角がちょうど 。楕円は補助円を縦に 倍したものなので、この対応がそのまま媒介変数になります[2]

実際の偏角とはずれる

の偏角を とすると、

なら 度もずれています。

では一致する。軸の上では が重なるためです。

離心角 の座標偏角

が実際の偏角とずれるのは、縦だけを 倍しているからです。

横は動かさず縦だけ縮めるので、角度は保たれません。 は縮める前の角度にあたります。

差がいちばん大きくなるのは のあたり。そこから両側へ向かうにつれて縮まります。

小さいほうの円も使う

半径 の円を描くと、こちらは 座標を与えてくれます。

大きい円の上の点 から 座標を、小さい円の上の点 から 座標をとる。

組み合わせた が楕円上の点です。円 2 つと定規だけで、楕円の点が次々に打てる。

例:作図の手順

とします。原点から の向きに半直線を引く。

大きい円との交点から真下に線を下ろし、小さい円との交点から真横に線を引きます。

2 本の交わったところが楕円上の点。 です。

角度を ずつ変えて繰り返せば、 個の点が打てます。なめらかにつなげば楕円になる。

だ円コンパスの仕組み

長さ の棒を用意し、その上に点 をとります。 から一方の端までが 、もう一方の端までが

だけ離れた端を 軸の上に、 だけ離れた端を 軸の上に置き、両端を軸に沿って滑らせる。

棒が 軸となす角を とすると、 軸側の端は 軸側の端は です。

軸側の端から だけ進んだ点。内分の計算をすると になります。

棒の傾きが、そのまま離心角。だ円コンパスは、離心角を手で回す道具です。

扇形の面積とのつながり

補助円で、中心から角 ぶんの扇形をとります。面積は

縦に 倍すると、面積も 倍になります。楕円の側の扇形の面積は

離心角は、中心から見た扇形の面積に比例している。角度としてはずれていても、面積としてはきれいに対応します。

なら 。楕円全体の面積に戻りました。

双曲線には補助円がない

双曲線の媒介変数表示は とも書けます[3]。この にも補助円のような読み方があります。

半径 の円を描き、その円に接する直線を引く。接点から中心を通る直線と、 の縦線との交点をとる形です。

ただし楕円ほど素直ではない。双曲線関数を使う書き方のほうがよく使われます。

離心角

補助円の上で測った角。扇形の面積に比例する

偏角

原点と点を結んだ線の角。 でずれる

つまずきやすいところ

を偏角だと思って としてしまう誤りが、いちばん多いところ。 が正しい形です。

面積を で出すのも危ないところ。楕円の扇形にこの式は使えません[4]

焦点から測る角と混ざることもある。極方程式の は焦点から見た角で、離心角とは別のものです。

で離心角が の点はどれですか。

__RESULT__

です。 を入れかえると になってしまいます。

補助円の役割も確かめます。

楕円上の点 と、補助円上の対応する点 について正しいのはどれですか。

  • 座標が等しい
  • 座標が等しい
  • 原点からの距離が等しい
__RESULT__

なので、 座標が共通です。縦の線で結ばれた 2 点になります。

は角度でありながら、楕円の上では角度として見えない。円までさかのぼると正体が分かります。

参考文献

Jean-Marc Decauwert. *Coniques*. Maths en Ligne, Université Joseph Fourier, Grenoble.
Ellipse. Wolfram MathWorld.
Hyperbola. Wolfram MathWorld.
*Kegelschnitte*. linalg.ch.
$(5\cos t,\ 3\sin t)$ の $t$ は、原点と点を結んだ線の角ではありません。半径 $a$ の補助円の上で測った角で、離心角と呼ばれます。楕円上の点と補助円上の点は $x$ 座標が同じ。$a = 5$、$b = 3$ で $t = 45^\circ$ なら実際の偏角は $31^\circ$ で、$14$ 度もずれます。半径 $a$ と $b$ の 2 円で点を打つ作図、棒の両端を軸に滑らせるだ円コンパス、扇形の面積が $abt/2$ になる話まで。