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指数関数を用いたとつ型およびおう型の ひずみ円またはひずみ円の方程式

山本 信雄

    ここに3個の方程式があります。
             ,                            (1)
             ,                                     (2)
             ,                     (3)
ただし、(1)式と(2)式の定数 a, b, および, c は任意の実数ですが、 (3)式の定数 a のみ次式の制限があります。
             .                                 (4)

    のとき、(1)式と(3)式の双方共マクローリン展開によって(2)式に移行することが次の計算で示されます。

             .                                 (5)

             .                               (6)

             .                                 (7)

    このように移行した(7)式は、その式の性格が(1)式と(3)式のそれと連続しているとみなされる一方で、 (1)式と(3)式から独立したとして考えられるので、改めて、(7)式右辺の から係数の 2 を取り去って(2)式のように書き換えることは自由です。 (式の全体的な概要さえ変更になっていなければ問題ない。) こうして、(2)式の a, b, および, c を任意の実数と再定義できます。

    b=c=1 の場合につき a の値をいろいろ変えて、(1)式、(2)式、および、(3)式をコンピュータで計算させてグラフに表しますと, 図1から図10 のようになります。
    (1)式は凸形に歪んだ円、(2)式は円、(3)式は凹形に歪んだ円を表示し、 (1)式において a の値が十分大きいときは四辺形となり、 (3)式において a の値が定義域最小のときアステロイド曲線(星形曲線)に似てきます。


上図をアニメーションで示しますと次のようです。 なお、画像の自動切り替え方法はこちら 画像の切り替え法(アーカイブ版)を参考にしました。

    (1)式において a の値が十分大きいとき、bc の値を変えることによって、 別方法のこちら 矩形表示の別方法 と同様に、縦と横の長さが異なる矩形(長方形)が得られます。a=10 で、b=1, c=2 の場合と b=2, c=1 の場合の2例を次に示します。




    (1)式を計算して図1から図4、および、図11と図12の曲線を得るための C++ プログラムはこちら 凸形歪円の計算プログラム、 (2)式を計算して図5の円を得るための C++ プログラムはこちら 円の計算プログラム、 (3)式を計算して図6から図10の曲線を得るための C++ プログラムはこちら 凹形歪円の計算プログラムです。 画面表示のプログラムをマウスでドラッグしてコピーを取ると,自由にご利用できます。
    次に, C++ システム・ファイル上の「ファイル」の中の 「新規作成」をクリックすると,編集画面が現れますが, この画面に上記コピーしたプログラムを貼り付けます。場合によっては編集も行います。そして, 「ビルド」をクリックすると実行ファイルが作成されます。 さらに,「実行」をクリックすることにより, 「distorted_circle.txt」、または、 「circle.txt」という名のテキストファイルが作られて, 計算されたデータ(歪円、または、円の各 x-y 座標点の座標データ)が格納されます。
    次に,このテキストファイルに格納されたデータをエクセルファイルに移し変えます。それには,エクセルファイルの 「外部データの取り込み」機能で行います。 ただし,ここに紹介した計算プログラムの場合,テキストファイルに保存される データ間の仕切りはカンマ()で指定してありますので, 「外部データの取り込み」にはこれを選択します。
    最後に,エクセルファイルに移された各列の x-y 座標データ全てをドラッグした後に,エクセルファイルにある 「グラフ ウィザード」をクリックして, その中の「散布図」を選び,スムーズなカーブになる絵図をクリックすると矩形等の直線と曲線が描かれます。


[参考]

    一般的方法

    一般的には、次の方程式によって円や楕円、および、凹凸双方の歪んだ円または楕円が表現できます。
             ,                            (8)
    n=4 の場合と n=1/4 の場合の2例を次に示します。



    次数 n が自然数とその逆数のときは計算が容易ですが、それ以外の広い範囲では数値計算がやや面倒です。 けれども、 n を限りなくゼロに近づけることが可能なので、 本文の方法において(4)式の制限を受ける図10 の星形よりも、図14 のように、より鋭い星形を表現できる強みがあります。



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Updated: 2008.6.29, edited by N. Yamamoto.
Revised on Aug.30, 2013, Dec. 09, 2013, Mar. 16, 2015, May 05, 2020, Dec. 22, 2020, Jan. 31, 2021, May 15, 2021, Mar. 25, 2022, Aug. 21, 2022 and 17, May, 2023.