数学のブログ

簡にして要を得る 〜弧長パラメーターと曲率〜 弧長パラメーター 曲線の長さ、逆関数、置換積分法、対数関数

新装版 幾何学は微分しないと 〜微分幾何学入門〜 (中内伸光(著)、現代数学社)の第1章(簡にして要を得る 〜弧長パラメーターと曲率〜)、1.3(弧長パラメーター)の練習問題1.2の解答を求めてみる。

s ( t )
= 0 t C ' ( t ) dt
= 0 t ( 1 , 2 t ) dt
= 0 t 1 + 4 t 2 dt
= 0 t 1 + ( 2 t ) 2 dt

置換積分法。

u = 2 t d u dt = 2 t = 0 , 1 u = 0 , 2 t
1 2 0 2 t 1 + u 2 d u
= 1 2 · 1 2 [ u 1 + u 2 + log ( u + 1 + u 2 ) ] 0 2 t
= 1 2 · 1 2 ( 2 t 1 + 4 t 2 + log ( 2 t + 1 + 4 t 2 ) )
= 1 2 t 1 + 4 t 2 + 1 4 log ( 2 t + 1 + 4 t 2 )

この関数の逆関数を

t = t ( s )

とおくと、 求める問題の放物線を弧長パラメーターで表示したものは、

C ( s ) = ( t ( s ) , t ( s ) 2 )

コード(Wolfram Language, Jupyter)

ParametricPlot[{t, t^2}, {t, -5, 5}]
Output
Integrate[Norm[D[{t, t^2}, t]], {t, 0, t}]
Output
D[{t, t^2}, t]
Output
Integrate[Sqrt[1 + 4t^2], {t, 0, t}]
Output
Solve[s == 1/4(2t Sqrt[1+4t^2] + ArcSinh[2t]), t]
This system cannot be solved with the methods available to Solve.: This system cannot be solved with the methods available to Solve.
Output
Solve[s == 1/4(2t Sqrt[1+4t^2] + Log[2t + Sqrt[1+4t^2]]), t]
This system cannot be solved with the methods available to Solve.: This system cannot be solved with the methods available to Solve.
Output

Mathematica(Wolfram Engine)でも逆関数は求められないみたい。