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明々雨,文書.

明々雨(あかあかあめ)です。

曲率半径の公式

関数{Y=f(X)}の点{P(t,f(t))}における曲率半径{r}を求める。

まず、この点における法線は
{\displaystyle
Y=-\frac{X-t}{f'(t)}+f(t)
}
次に、点{(t+h,f(t+h))}における法線は
{\displaystyle
Y=-\frac{X-(t+h)}{f'(t+h)}+f(t+h)
}
と表せる。

この{2}直線の交点Q(x,y)は{2}式から、
{\displaystyle
\begin{eqnarray}
\begin{cases}
y=-\frac{x-t}{f'(t)}+f(t) \\
y=-\frac{x-(t+h)}{f'(t+h)}+f(t+h) 
\end{cases}
\end{eqnarray}
}
整理して
{\displaystyle
\begin{eqnarray}
\begin{cases}
y=-\frac{x}{f'(t)}+\frac{t}{f'(t)}+ f(t) \\
y=-\frac{x}{f'(t+h)}+\frac{t+h}{f'(t+h)}+f(t+h) 
\end{cases}
\end{eqnarray}
}
よって、
{\displaystyle
\begin{eqnarray}
&& x\left(\frac{1}{f'(t+h)}-\frac{1}{f'(t)}\right)  \\
&& =\frac{t+h}{f'(t+h)}-\frac{t}{f'(t)}+f(t+h)-f(t) \\
\end{eqnarray}
}
{\displaystyle
\begin{eqnarray}
x & = & \frac{f'(t)f'(t+h)\left(\frac{t+h}{f'(t+h)}-\frac{t}{f'(t)}+f(t+h)-f(t)\right)}{f'(t)-f'(t+h)} \\
& = & \frac{f'(t)(t+h)-f'(t+h)t+f(t+h)f'(t)f'(t+h)-f(t)f'(t)f'(t+h)}{f'(t)-f'(t+h)} \\
& = & \frac{t(f'(t)-f'(t+h))}{f'(t)-f'(t+h)}+\frac{hf'(t)}{f'(t)-f'(t+h)}+\frac{f'(t)f'(t+h)\left(f'(t)-f'(t+h)\right)}{f'(t)-f'(t+h)} \\
& = & t+\frac{f'(t)}{\frac{f'(t)-f'(t+h)}{h}}+\frac{f'(t)f'(t+h)\left(\frac{f'(t)-f'(t+h)}{h}\right)}{\frac{f'(t)-f'(t+h)}{h}}
\end{eqnarray}
}
となる。

{h \rightarrow 0 }の極限を考えて、
{\displaystyle
\begin{eqnarray}
&&\lim_{h \to 0} x \\
&&=\lim_{h \to 0} \left(t+\frac{f'(t)}{\frac{f'(t)-f'(t+h)}{h}}+\frac{f'(t)f'(t+h)\left(\frac{f'(t)-f'(t+h)}{h}\right)}{\frac{f'(t)-f'(t+h)}{h}}\right) \\
&&=t-\frac{(f'(t))^3+f'(t)}{f''(t)}
\end{eqnarray}
}
これを点{P}での法線の方程式に代入して、
{\displaystyle
y=\frac{(f'(t))^2+1}{f''(t)}+f(t)
}
以上より、求める曲率半径{r}
{\displaystyle
\begin{eqnarray}
r &=& \sqrt{\left(\frac{(f'(t))^3+f'(t)}{f''(t)}\right)^2+\left(\frac{(f'(t))^2+1}{f''(t)}\right)^2} \\
&=& \frac{(\left(f'(t)\right)^2+1)^{\frac{3}{2}}}{|f''(t)|}
\end{eqnarray}
}

入力した関数の曲率円を表示する数式のグラフを作りました。
曲率円-Desmos