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गणित · शब्दावली

किसी चाप की लंबाई क्या है?

अन्य नाम: चाप लंबाई

परिभाषा 24.9 विश्वविद्यालय गणित — स्नातक वर्ष 1 · अध्याय 24 — समतल वक्र

C1C^1 चाप f ⁣:[a,b]R2f \colon \intcc{a}{b} \to \R^2 की लंबाई चाल का समाकल है:

L=abf(t) ⁣dt=abx(t)2+y(t)2   ⁣dt.L = \int_a^b \norm{f'(t)}\,\dd t = \int_a^b \sqrt{x'(t)^2 + y'(t)^2}\;\dd t .

(प्रेरणा: किसी छोटे अंतराल पर M(t+h)M(t)+hf(t)M(t + h) \approx M(t) + h f'(t), अतः चाप ऐसे बहुभुज के निकट है जिसके खंडों की लंबाइयों का योग f\norm{f'} का रीमान योग है, प्रमेय 15.20।) ध्रुवीय वक्र r=r(θ)r = r(\theta) के लिए वेग ru+rvr'\vec u + r\vec v के घटक लांबिक हैं, अतः

L=θ1θ2r(θ)2+r(θ)2   ⁣dθ.L = \int_{\theta_1}^{\theta_2} \sqrt{r'(\theta)^2 + r(\theta)^2}\;\dd\theta .

लंबाई चुने गए (एकदिष्ट, C1C^1) प्राचलन पर निर्भर नहीं करती: समाकल में t=φ(s)t = \varphi(s) प्रतिस्थापित करने पर (प्रमेय 15.15) ff' φ\varphi' से और  ⁣dt\dd t φ1\varphi'^{-1} से गुणित हो जाता है।

साइक्लॉयड का एक मेहराब (त्रिज्या R = 1), t = 2 पर लुढ़कता वृत्त, और सप्ताहांत समस्या की दोनों निर्देशक रेखाएँ: स्पर्श-बिंदु तक की जीवा MC वक्र का अभिलंब है, और वृत्त के शीर्ष तक की जीवा MT स्पर्शरेखीय।
साइक्लॉयड का एक मेहराब (त्रिज्या R=1R = 1), t=2t = 2 पर लुढ़कता वृत्त, और सप्ताहांत समस्या की दोनों निर्देशक रेखाएँ: स्पर्श-बिंदु तक की जीवा MCMC वक्र का अभिलंब है, और वृत्त के शीर्ष तक की जीवा MTMT स्पर्शरेखीय

उदाहरण

उदाहरण 24.10 (जाँच: वृत्त)

[0,2π]\intcc{0}{2\pi} पर f(t)=(Rcost,Rsint)f(t) = (R\cos t, R\sin t) के लिए: f=R\norm{f'} = R, अतः L=2πRL = 2\pi R — अर्थात् परिभाषा परिधि ही लौटा देती है। पुनःप्राचलन की परीक्षा: [0,π]\intcc{0}{\pi} पर प्रतिचित्रण g(t)=(Rcos2t,Rsin2t)g(t) = (R\cos 2t, R\sin 2t) वही वृत्त दुगुनी चाल g=2R\norm{g'} = 2R से खींचता है, और

0π2R ⁣dt=2πR\int_0^{\pi} 2R\,\dd t = 2\pi R

फिर वही: आधा समय, दुगुनी चाल, वही लंबाई — अर्थात् परिभाषा में वादा की गई अपरिवर्तिता, एक बार संख्याओं पर देख ली गई। (gg को पूरे [0,2π]\intcc{0}{2\pi} पर चलाने से 4πR4\pi R मिलता: दो बार पार किया गया वक्र यात्रा के रूप में दुगुना लंबा है; लंबाई प्राचलित पथ नापती है, और अंतराल का ईमानदार लेखा-जोखा संगणना का ही हिस्सा है।) ऐस्ट्रॉयड (cos3t,sin3t)(\cos^3t, \sin^3t) के लिए: f=3sintcost=32sin2t\norm{f'} = 3\abs{\sin t\cos t} = \tfrac32\abs{\sin 2t}, और सममिति से L=40π/232sin2t ⁣dt=6L = 4\int_0^{\pi/2} \tfrac32\sin 2t\,\dd t = 6: अर्थात् इकाई वृत्त के भीतर खिंचा हुआ वक्र, जिसकी लंबाई 6<2π6 < 2\pi है। सप्ताहांत समस्या सबसे प्रसिद्ध मेहराब को नापती है।

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