2次元曲線の曲率半径
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2025.07.31


 2次元曲線:yf (x) 上の点A( a, f (a) )における曲率半径 R を求めてみましょう。ただし、f "(a) < 0 とします。

 点Aに接する円の中心を ( X, Y ) とすると、その円の方程式は次の式で表されます。
   ( xX )2 + ( yY )2R2  ・・・ @
       ※ ただし、f "(a) < 0 より、 aX かつ f (a) > Y
@ より、
   
       
A の式を次のように置き換えます。
   
すると、次の式たちが成り立ちます。
   F (a) = f (a)  ・・・ C
   F '(a) = f '(a)  ・・・ D
   F "(a) = f "(a)  ・・・ E

@ の両辺を x で微分して、
   2 ( xX ) + 2 ( yY ) dy/dx = 0
よって、
   ( xX ) + ( yY ) F '(x) = 0  ・・・ F
F の両辺を x で微分して、
   1 + F '(x)2 + ( yY ) F "(x) = 0  ・・・ G
G の式は ( x, y ) = ( a, f (a) ) のとき成り立つので、
   1 + F '(a)2 + ( f (a)−Y ) F "(a) = 0  ・・・ H
D と E を H に代入すると、
   1 + f '(a)2 + ( f (a)−Y ) f "(a) = 0  ・・・ I
よって、
   
F の式は ( x, y ) = ( a, f (a) ) のとき成り立つので、
   ( aX ) + ( f (a)−Y ) F '(a) = 0  ・・・ K
D を K に代入すると、
   ( aX ) + ( f (a)−Y ) f '(a) = 0  ・・・ N
J を N に代入して、
   
@ の式は ( x, y ) = ( a, f (a) ) のとき成り立つので、
   ( aX )2 + ( f (a)−Y )2R2  ・・・ P
J と O を P に代入して、
   
Q が 求めていた 2次元曲線:yf (x) 上の点A( a, f (a) )における曲率半径です。

 例えば、2次元曲線:y = sin x 上の点A( π/2, 1 )における曲率半径 ( R ) は次のようになります。