■2つのシャボン玉がくっつくと(その2)
テーブルの上のシャボン玉の形について考える。半球になるだろうか?
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(その1)では原点O(0,0)を中心とする単位球と、半径r,中心C(c,0)の球が交わるとき、交わる部分の体積が一定のとき、交わり部分の面積を最小とする問題を考えたが、一方が半径∞の球(テーブル)になったと考えることができる。同様に、2次元で近似する。
半径r,中心C(0,c)の円:x^2+(y-c)=r^2
交点をP(a,0),Q(-a,0),θ=∠PCQとおくと
交わり部分の面積S=r(2π-θ)
交わり部分の体積V=r^2(π-θ/2+(sinθ)/2)
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ここでラグランジュ未定乗数法を用いる
f(r,θ)=S-λ(V-V0)
∂f/∂r=2π-θ-λr(2π-θ+sinθ)=0
∂f/∂θ=-r+λr^2(1-cosθ)/2=0
∂f/∂λ=V0-V=0
λを消去すると
2sinθ=(1+cosθ)(θ-2π)
が必要条件となり、θ=πが唯一解となる。
したがって、シャボン玉はテーブルと直交する=半球となることが確認できる
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