Header

  1. View current page

    수학이 알고싶은 중고대딩들을 위한 수학 노트

Springnote Home
Profile_image?t=1256009541&type=big
33 1218

All Pages

Updates

Add to Watch List

렘니스케이트(lemniscate) 곡선과 타원적분

Edit
이 항목의 스프링노트 원문주소

 

 

개요

MSP71919784049c09bb98700001095e8fadhf5gc4d.gif

  • 극좌표계에서 방정식 r^2=\cos2\theta 로 주어진 곡선을 베르누이의 렘니스케이트 곡선이라 부름.
  • 카테시안 좌표계에서는 (x^2 + y^2)^2=x^2 - y^2로 주어진다

 

 

렘니스케이트 곡선의 둘레의 길이와 타원적분
  • 렘니스케이트 곡선의 둘레의 길이 L은 타원적분으로 표현되며 다음과 같은 과정을 통해 얻어짐

x=r(\theta)\cos\theta,y=r(\theta)\sin\theta

r'(\theta)=-\frac{\sin 2\theta}{r(\theta)}

L=4\int_{0}^{\pi/4}\sqrt{r'(\theta)^2+r(\theta)^2}\,d\theta=4\int_{0}^{\pi/4}\sqrt{\frac{\sin^2 2\theta}{r^2(\theta)}+r^2(\theta)}\,d\theta=4\int_{0}^{\pi/4}\sqrt{\frac{1}{\cos^2 2\theta}}\,d\theta

=4\int_{0}^{\pi/4}\frac{1}{\sqrt{\cos 2\theta}}\,d\theta

\cos 2\theta=\cos^2{\phi} 를 이용하여 치환하면,

d\theta=\frac{\sin\phi\cos\phi}{\sqrt{1-\cos^4\phi}}\,d\phi=\frac{\cos\phi}{\sqrt{1+\cos^2\phi}}\,d\phi

L=4\int_0^{\pi/2}\frac{1}{\sqrt{1+\cos^2 \phi}}\,d\phi=2\sqrt{2}\int_0^{\pi/2}\frac{1}{\sqrt{1-\frac{1}{2}\sin^2 \phi}}\,d\phi=2\sqrt{2}K(1/\sqrt{2})

x=\cos\phi 로 치환하면,

L=4\int_0^{\pi/2}\frac{1}{\sqrt{1+\cos^2 \phi}}\,d\phi=4\int_0^1\frac{dx}{\sqrt{1-x^4}}=\frac{\Gamma(1/4)^2}{\sqrt{2\pi}}=5.2441\cdots

 

 

가우스의 렘니스케이트 상수

 

 

원주율과의 비교

  • 가우스가 계산한 값은 원의 둘레의 길이와 렘니스케이트의 둘레의 길이의 비율

    \frac{\pi}{2}=\int_0^1\frac{dx}{\sqrt{1-x^2}}=1.57\cdots

    \frac{\omega}{2}=\int_0^1\frac{dx}{\sqrt{1-x^4}}=1.31\cdots

    \frac{\pi }{\omega}=1.1981402347\cdots 가 얻어짐

  • 한편AGM(a,b) 은 두 수 a, b의 산술기하평균을 말하는 것으로 다음과 같은 점화식의 극한으로 정의됨.

    a_0=a, b_0=b

    a_{n+1}=\frac{a_n+b_n}{2}, b_{n+1}=\sqrt{a_nb_n}

  • 가우스의 계산으로는 AGM(1,\sqrt2)과 같음

  • 단위원과 렘니스케이트 곡선

    lemiscate_circle.jpg

 

 

가우스의 계산 타원적분을 통한 증명

\frac{\omega}{2}=\int_0^1\frac{dx}{\sqrt{1-x^4}}=\frac{1}{\sqrt{2}}\int_0^{\frac{\pi}{2}} \frac{d\theta}{\sqrt{1-\frac{1}{2}\sin^2\theta}}=\frac{1}{\sqrt{2}}K(\frac{1}{\sqrt2})

 K(\frac{1}{\sqrt2})=\frac{\pi}{2M(1,\frac{1}{\sqrt2})}

  • 두 결과를 이용하면 

\frac{\pi}{\omega}=\frac{2K(\frac{1}{\sqrt2}){M(1,\frac{1}{\sqrt2})}}{\sqrt{2}K(\frac{1}{\sqrt2})} = {\sqrt{2}{M(1,\frac{1}{\sqrt2})}=M(1,{\sqrt2})

 

K(k) = \int_0^{\frac{\pi}{2}} \frac{d\theta}{\sqrt{1-k^2 \sin^2\theta}}

 

 

 

재미있는 사실

  • 곡선의 모양이 무한대 기호와 같음

  • 무한대는 그 한계가 없기에 리본을 뜻하는 'lemniscus'라는 말로 불릴 때도 있었으며, 그로인해 무한대 기호가 누운 8자 모양이 되었다는 설이 있음

 

역사
  • 1684  베르누이 'Acta Eruditorum'

  • 1798~1799년의 시기에 가우스는 이 곡선의 길이와 관련하여 다음과 같은 기록을 일기에 남김. (Pi-unleashed, 99p)

    We have gained some very elegant details about the lemniscate, which have exceeded all expectations, and indeed using methods which open up an entirely new field. That the AGM is equal to  between 1 and  we have confirmed up to the 11th decimal digit; if this is proven, then a truly new field of analysis stands before us.

  • 수학사연표

  • the lemniscate curve

  • Gauss' study of lemniscate curve and elliptic integrals

  • mathematics development

 

 

상위 주제

 

 

관련된 항목들

 

 

수학용어번역

 

 

매스매티카 파일 및 계산 리소스

 

 

사전 형태의 자료

 

관련도서

  • Mathematics by experiment: plausible reasoning in the 21st century

    • M. Borwein and D. H. Bailey, , A K Peters, Natick, MA, 2003.

 

 

관련논문과 에세이

 

 

Tags

상수,곡선

History

Last edited on 12/09/2011 14:13 by 피타고라스

Linked Page

Linked Pages: 22 more

Comments (0)

You must log in to leave a comment. Please sign in.