動画で説明する色々なサイクロイドの式と曲線

資料請求番号:TS11

サイクロイドの媒介変数表示と描画

サイクロイド曲線と言えば以下のような媒介変数表示で表現できて

グラフの概形は以下のような形になる曲線のことを思い浮かべると思います。

高校数学Ⅲでは、媒介変数表示された関数を与えられ、それを微分してグラフの概形を描いたり、積分して面積を求めたりする問題がよく出ます。
受験勉強に慣れた人はこの式を見るだけでグラフの概形を想像することもできるでしょう。

これに似た問題で、アステロイドという曲線の問題も頻出です。



本記事では、サイクロイドやアステロイドがどのようにしてできる曲線なのかを詳しく解説し、色々なサイクロイドをエクセルを使って描画してみたいと思います。

※サイクロイド・アステロイドの式と曲線の形を確認したい方はこちら。式と概形だけをまとめてあります。

※描画例

サイクロイドとアステロイド

サイクロイド

まず、サイクロイドとはどのような曲線だったか、おさらいしておきましょう。

Wikipediaによると、

サイクロイド (cycloid) とは、円がある規則にしたがって回転するときの円上の定点が描く軌跡として得られる平面曲線の総称である。
出典:Wikipedia サイクロイド

とのこと。

ファビー

もうな、この文章そのものが意味わからんねん!円上の定点が描く軌跡?なんのこと??

ストーク

まぁまぁ。まず、円を描くやろ?

ファビー

うん。

ストーク

次に円の先っちょに点を打つたい。

ファビー

うん。

ストーク

これをな、直線上で転がすたい。

ストーク

それで、赤い点が移動したやろ?赤い点を追いかけたら曲線ができるたいね。

ファビー

つまり・・・赤い点の・・・轍のこと?

ストーク

せや!この辺ば雪降らんが、長崎の方に行くとたまに降るやろ?その雪道を車走ると轍ができるやろ?
そういう、モノが通った跡のことを「軌跡」っていうたいね。
そのことを理解した上でもう一回、「サイクロイド」の定義を読んでみ?

サイクロイド (cycloid) とは、円がある規則にしたがって回転するときの円上の定点が描く軌跡として得られる平面曲線の総称である。
出典:Wikipedia サイクロイド

ファビー

回転する円上の定点・・・つまり赤い点が、描く軌跡・・・つまり赤い点の轍・・・がサイクロイドってこと?

ストーク

ああ。つまり、こういうことだな。
軌跡を残して描いたら、サイクロイドのできあがりってことたいね。

ファビー

なるほど~!!

アステロイド

ストーク

アステロイドがどんな曲線か覚えとる?

ファビー

全然!!

ストーク

・・・・。

以下のような媒介変数表示の式で表される曲線をアステロイドといい

概形を描くと以下の様になる。

ストーク

思い出した?

ファビー

ああ、あのダイヤのやつな!

ファビー

どうやって描くんか知らんけど・・・。

ストーク

さっきのサイクロイド曲線は直線の上に円を転がしたやろ?

ファビー

うん。

ストーク

今度は円の中で円を転がすねん。

ファビー

アステロイドっぽい・・・?

ストーク

じゃあ、次は軌跡を残して描いてみるで。

ファビー

おおっ!アステロイドや!!

ストーク

ああ。アステロイドってのは
「円の中に半径1/4の円を描いたときに、円上の定点が描く軌跡」のことを言うたい。

サイクロイドとアステロイド まとめ

サイクロイドとは、直線上を回転する円上の定点が描く軌跡。

アステロイドとは、円Aと円Aの半径1/4の円Bがあるとき、円Aに円Bを内接させ、回転させたときに円B上の定点が描く軌跡

広義のサイクロイド

内サイクロイドと外サイクロイド

ストーク

それでな、高校の数学ではな、直線上で円を転がして出来た曲線の事だけをサイクロイドと言うが、実はアステロイドもサイクロイドの一種たい。

ファビー

どういうこと?

ストーク

もう一回、サイクロイドの説明を見てみ?

サイクロイド (cycloid) とは、円がある規則にしたがって回転するときの円上の定点が描く軌跡として得られる平面曲線の総称である。
出典:Wikipedia サイクロイド

ストーク

円がある規則に従って回転する時・・・・ってあるやろ?
直線上を円が回転しようが、円の中を円が回転しようが、
円がある規則に従って回転していることには変わりはないたい。

ファビー

つまり・・・デッカイ円の中でチッサイ円が回転することを規則と考えりゃ、アステロイドもサイクロイドの一種ってこと?

ストーク

せや!せやから、
高校数学でいうサイクロイドってのは
直線上に円を回転させてできるサイクロイド
アステロイドってのは
円の中の円を回転させてできるサイクロイド
っていう表現ができるたい。もう一回、サイクロイドとアステロイドのイメージ動画を観てみ?

ファビー

・・・・なるほど~。

ストーク

円の中の円を回転させてできるサイクロイドで特に半径比が4:1の場合をアステロイドっていうたい。一般的には他にも別名があってな
ハイポサイクロイドとか、内(ない)サイクロイドとか言ったりするたい。

ファビー

内サイクロイド??

ファビー

ってことは、外(がい)サイクロイドもあるってこと?

ストーク

せやせや!描いてみるか?

ファビー

うん。

ストーク

ある円に対して、半径が1/3の円を用意して、円の周りを転がすたい。

ファビー

すご~い!お花模様みたいでかわいい!

エクセルを使って多様な図形を描く

内サイクロイド(ハイポサイクロイド)

ファビー

これさぁ・・・。円の内でも外でもええけど、小さい方の円の大きさ変えたら色々な図形が描けると?

ストーク

おおっ!ええこと気づいたな!例えば、内サイクロイドであるアステロイドは媒介変数表示でこんな式やけども

ストーク

これを3倍角の公式を使って式の形を変えると、こうなるんや。

ストーク

この3をな、nに置き換えて、nを色々な数字に変えると色んな図形が描ける

ストーク

nが2のとき、半径1/3の円を転がしたときの軌跡ができるたい。

ストーク

nが3のとき、半径1/4の円を転がしたときの軌跡ができる。これがアステロイドだったやろ?

ストーク

こういうふうに、上の式に従ってnを変えると、1/(n+1)の円を転がしたときの軌跡ができるたい。

ファビー

えっと・・・n=3のときに半径1/4の円を転がして、ダイヤみたいなマークが出来たってことは・・・

ファビー

えっと・・・n=4のときに半径1/5の円を転がして、星みたいなマークができると?

ストーク

せやせや!なかなか柔軟なアタマしとるなぁ~!

ファビー

へへっ・・。それでね、nをめっちゃ増やすとめっちゃトゲトゲができるけんね!

ストーク

(・・・かわいいなぁ。)


(左:n=4 星型,右:n=9 めっちゃトゲトゲ)

ストーク

nを1から100まで変化させてグラフを描くとこんな感じ

ファビー

うお~っ!めっちゃトゲ増えよってん!!
最後に円になるってのも、おもろいな!

ストーク

せやな!どんどんドゲが細かくなっていくからな。
それでな、もっとおもろいのがな、nを小数点にするとな・・・

ファビー

え~なにこれ!すご~い!
n=1.5とか、めっちゃ星やん!!

ファビー

これでアタシ、数式で星描けるけん!って自慢できる~♪

ストーク

(さらに言うと、バラ曲線にフーリエ級数を仕込むとサクラの花びらまで表現できるんだが・・・まぁいいや。)

ストーク

ちなみにだが、内サイクロイドはこういう形の式でも表現される。

ストーク

この数式使ってな、「半径aの円の内周を半径bの円が転がるとき、半径b上の定点が描く曲線を内サイクロイドという」という表現できるたい。

ファビー

えっと・・・半径aがデッカイ方で半径bがチッサイ方やけんね?

ストーク

せやな。

ファビー

やとしたら・・・

ファビー

aが4で、bが1ならダイヤのマークでaが5でbが1とか、aが2.5でbが1とかなら星のマークになるけん!

ストーク

せやせや!ダイヤのマークはアステロイドな。

ファビー

・・・・♪

ストーク

(・・・やっぱりかわいいなぁ。)

外サイクロイド(エピサイクロイド)

ストーク

さっき、円の外に小さい円を置いて転がした軌跡でお花みたいな形を描いたやろ?

ファビー

うん。

ストーク

これもな、円をある規則に従って回転させとるけん、サイクロイドって言うけど、この場合を特に外サイクロイド、エピ・サイクロイドって言うたい。

ファビー

これも、4つ葉のお花とか5つ葉のお花とか描けると?

ストーク

描ける。外サイクロイドの式は以下の通り。

ストーク

この数式使ってな、「半径aの円の外周を半径bの円が転がるとき、半径b上の定点が描く曲線を外サイクロイドという」という表現できるたい。

ファビー

また100個描いてみようよ!

ファビー

お~すごか~!

ストーク

これもまた、aを小数点にすると、色々な形が描ける。

ファビー

お~幻想的~!
こんなん学校の授業じゃ見せてくれんから、すごくおもろいわ~!

ストーク

そっか。それは良かった。ちなみにaもbも1のとき、どんな形やった?

ファビー

どっかで見たことがあるような・・・?

ストーク

カージオイドやろ?心臓形。

ファビー

ああっ、カージオイドもあったような気がする。カージオイドもサイクロイドの一種やったんか~!

まとめ

本記事では、高校数学で習うサイクロイドとアステロイドの説明をした後、色々なサイクロイドについて説明し、描画しました。

サイクロイド (cycloid) とは、円がある規則にしたがって回転するときの円上の定点が描く軌跡として得られる平面曲線の総称である。
出典:Wikipedia サイクロイド

サイクロイド:円が直線の上を回転する時の円上の定点が描く軌跡として得られる平面曲線

内サイクロイド・アステロイド・ハイポサイクロイド:
円が他の円の内周を回転する時の円上の定点が描く軌跡として得られる平面曲線

外サイクロイド・カージオイド・エピサイクロイド:
円が他の円の外周を回転する時の円上の定点が描く軌跡として得られる平面曲線

式と概形の関係は以下の記事にまとめました。

また、他にもリマソン、バラ曲線など色々な曲線の媒介変数表示をまとめました。こちらも併せてどうぞ!

数式さえあれば、エクセルに入れて簡単に計算できるので、やってみてはいかがでしょうか?

※動画はマクロを使って作りました。マクロの描き方は後日公開したいと思います。

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