サイクロイド

平面上に存在するサイクロイドを媒介変数表示を用いて定義します。円が1回点することで生成されるサイクロイド上の弧をサイクロイドの弧と呼びます。

サイクロイドの定義

媒介変数\(t\)が全区間\(\mathbb{R} \)上の値をとり得る状況を想定した上で、それぞれの\(t\in \mathbb{R} \)に対して、平面\(\mathbb{R} ^{2}\)上のベクトル\begin{equation*}\boldsymbol{f}\left( t\right) =\left(
\begin{array}{c}
r\left[ t-\sin \left( t\right) \right] \\
r\left[ t-\cos \left( t\right) \right] \end{array}\right)
\end{equation*}を定めるベクトル値関数\begin{equation*}
\boldsymbol{f}:\mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}^{2} \end{equation*}を定義します。ただし、\(r\not=0\)です。このベクトル値関数\(\boldsymbol{f}\)によって定義される平面\(\mathbb{R} ^{2}\)上の曲線をサイクロイド(cycloid)と呼びます。つまり、サイクロイドのベクトル方程式は、\begin{equation*}\left(
\begin{array}{c}
x \\
y\end{array}\right) =\left(
\begin{array}{c}
r\left[ t-\sin \left( t\right) \right] \\
r\left[ 1-\cos \left( t\right) \right] \end{array}\right) \quad \left( t\in \mathbb{R} \right)
\end{equation*}であり、サイクロイドの媒介変数表示は、\begin{equation*}
\left\{
\begin{array}{c}
x=r\left[ t-\sin \left( t\right) \right] \\
y=r\left[ 1-\cos \left( t\right) \right] \end{array}\right. \quad \left( t\in \mathbb{R} \right)
\end{equation*}となります。したがって、サイクロイドそのものは、\begin{equation*}
\left\{ \left(
\begin{array}{c}
x \\
y\end{array}\right) \in \mathbb{R} ^{2}\ |\ \exists t\in \mathbb{R} :\left(
\begin{array}{c}
x \\
y\end{array}\right) =\left(
\begin{array}{c}
r\left[ t-\sin \left( t\right) \right] \\
r\left[ 1-\cos \left( t\right) \right] \end{array}\right) \right\}
\end{equation*}と定義されます。サイクロイドを規定する\(r\)を動円の半径(radius)と呼びます。

図:サイクロイド
図:サイクロイド

点\(\left( 0,r\right) \)を中心とする半径\(\left\vert r\right\vert \)の円が数直線の原点と交わる点を\(P\)と呼びます。サイクロイドとは、この円が滑らずに数直線上を回転しながら移動する際の点\(P\)の軌跡です(上図)。媒介変数\(t\)の値は円の回転角に相当します。

例(サイクロイドの媒介変数表示)
点\(\left( 0,1\right) \)を中心とする半径\(1\)の円が生成するサイクロイドの媒介変数表示は、\begin{equation*}\left\{
\begin{array}{c}
x=1\left[ t-\sin \left( t\right) \right] \\
y=1\left[ 1-\cos \left( t\right) \right] \end{array}\right. \quad \left( t\in \mathbb{R} \right)
\end{equation*}すなわち、\begin{equation*}
\left\{
\begin{array}{c}
x=t-\sin \left( t\right) \\
y=1-\cos \left( t\right)
\end{array}\right. \quad \left( t\in \mathbb{R} \right)
\end{equation*}です。

例(サイクロイドの媒介変数表示)
点\(\left( 0,-1\right) \)を中心とする半径\(1\)の円が生成するサイクロイドの媒介変数表示は、\begin{equation*}\left\{
\begin{array}{c}
x=\left( -1\right) \left[ t-\sin \left( t\right) \right] \\
y=\left( -1\right) \left[ 1-\cos \left( t\right) \right] \end{array}\right. \quad \left( t\in \mathbb{R} \right)
\end{equation*}すなわち、\begin{equation*}
\left\{
\begin{array}{c}
x=-t+\sin \left( t\right) \\
y=-1+\cos \left( t\right)
\end{array}\right. \quad \left( t\in \mathbb{R} \right)
\end{equation*}です。

例(サイクロイドの媒介変数)
点\(\left( 0,2\right) \)を中心とする半径\(2\)の円が生成するサイクロイドの媒介変数表示は、\begin{equation*}\left\{
\begin{array}{c}
x=2\left[ t-\sin \left( t\right) \right] \\
y=2\left[ 1-\cos \left( t\right) \right] \end{array}\right. \quad \left( t\in \mathbb{R} \right)
\end{equation*}です。

 

サイクロイドの弧

点\(\left( 0,r\right) \)を中心とする半径\(\left\vert r\right\vert \)の円が数直線の原点と交わる点を\(P\)と呼びます。サイクロイドとは、この円が滑らずに数直線上を回転しながら移動する際の点\(P\)の軌跡です。媒介変数\(t\)の値は円の回転角であるため、円を右側に1回転させる場合の点\(P\)の軌跡に相当する弧のベクトル方程式は、媒介変数\(t\)の値が\(0\)から\(2\pi \)へ変化させる場合の弧のベクトル方程式\begin{equation*}\left(
\begin{array}{c}
x \\
y\end{array}\right) =\left(
\begin{array}{c}
r\left[ t-\sin \left( t\right) \right] \\
r\left[ 1-\cos \left( t\right) \right] \end{array}\right) \quad \left( t\in \left[ 0,2\pi \right] \right)
\end{equation*}であり、媒介変数表示は、\begin{equation*}
\left\{
\begin{array}{c}
x=r\left[ t-\sin \left( t\right) \right] \\
y=r\left[ 1-\cos \left( t\right) \right] \end{array}\right. \quad \left( t\in \left[ 0,2\pi \right] \right)
\end{equation*}です。したがって、弧そのものは、\begin{equation*}
\left\{ \left(
\begin{array}{c}
x \\
y\end{array}\right) \in \mathbb{R} ^{2}\ |\ \exists t\in \left[ 0,2\pi \right] :\left(
\begin{array}{c}
x \\
y\end{array}\right) =\left(
\begin{array}{c}
r\left[ t-\sin \left( t\right) \right] \\
r\left[ 1-\cos \left( t\right) \right] \end{array}\right) \right\}
\end{equation*}となります。これをサイクロイドの弧(arc of cycloid)と呼びます。

図:サイクロイドの弧
図:サイクロイドの弧

サイクロイドの弧の始点の座標は、\begin{equation*}
\left(
\begin{array}{c}
x \\
y\end{array}\right) =\left(
\begin{array}{c}
r\left[ 0-\sin \left( 0\right) \right] \\
r\left[ 1-\cos \left( 0\right) \right] \end{array}\right) =\left(
\begin{array}{c}
0 \\
0\end{array}\right)
\end{equation*}であり、終点の座標は、\begin{equation*}
\left(
\begin{array}{c}
x \\
y\end{array}\right) =\left(
\begin{array}{c}
r\left[ 2\pi -\sin \left( 2\pi \right) \right] \\
r\left[ 1-\cos \left( 2\pi \right) \right] \end{array}\right) =\left(
\begin{array}{c}
2\pi r \\
0\end{array}\right)
\end{equation*}です。つまり、この2つの点において点\(P\)は数直線と交わります。

媒介変数\(t\)がとり得る値の範囲を、\begin{equation*}\left[ 2\pi z,2\pi \left( z+1\right) \right] \quad \left( z\in \mathbb{Z} \right)
\end{equation*}に制限することにより得られるサイクロイド上の弧について同様の議論が成り立ちます。

例(サイクロイドの弧)
点\(\left( 0,1\right) \)を中心とする半径\(1\)の円が生成するサイクロイドの弧の媒介変数表示は、\begin{equation*}\left\{
\begin{array}{c}
x=1\left[ t-\sin \left( t\right) \right] \\
y=1\left[ 1-\cos \left( t\right) \right] \end{array}\right. \quad \left( t\in \left[ 0,2\pi \right] \right)
\end{equation*}すなわち、\begin{equation*}
\left\{
\begin{array}{c}
x=t-\sin \left( t\right) \\
y=1-\cos \left( t\right)
\end{array}\right. \quad \left( t\in \left[ 0,2\pi \right] \right)
\end{equation*}です。

例(サイクロイドの弧)
点\(\left( 0,-1\right) \)を中心とする半径\(1\)の円が生成するサイクロイドの弧の媒介変数表示は、\begin{equation*}\left\{
\begin{array}{c}
x=\left( -1\right) \left[ t-\sin \left( t\right) \right] \\
y=\left( -1\right) \left[ 1-\cos \left( t\right) \right] \end{array}\right. \quad \left( t\in \left[ 0,2\pi \right] \right)
\end{equation*}すなわち、\begin{equation*}
\left\{
\begin{array}{c}
x=-t+\sin \left( t\right) \\
y=-1+\cos \left( t\right)
\end{array}\right. \quad \left( t\in \left[ 0,2\pi \right] \right)
\end{equation*}です。

例(サイクロイドの弧)
点\(\left( 0,2\right) \)を中心とする半径\(2\)の円が生成するサイクロイドの弧の媒介変数表示は、\begin{equation*}\left\{
\begin{array}{c}
x=2\left[ t-\sin \left( t\right) \right] \\
y=2\left[ 1-\cos \left( t\right) \right] \end{array}\right. \quad \left( t\in \left[ 0,2\pi \right] \right)
\end{equation*}です。

 

演習問題

問題(サイクロイド上の点)
点\(\left( 0,1\right) \)を中心とする半径\(1\)の円が生成するサイクロイドの媒介変数表示を明らかにしてください。その上で、\(t=\frac{\pi }{2}\)に対応するサイクロイド上の点の座標、\(t=\pi \)に対応するサイクロイド上の点の座標、\(t=2\pi \)に対応するサイクロイド上の点の座標をそれぞれ特定してください。
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問題(サイクロイドの弧)
点\(\left( 0,3\right) \)を中心とする半径\(3\)の円が生成するサイクロイドの媒介変数表示を明らかにしてください。その上で、この円を右側へ\(12\)回転させることにより得られる弧の媒介変数表示を明らかにしてください。
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