■楕円曲線と弾性曲線(その17)
レムニスケートの弧長lは
l=integral(0-r){1+(rdθ/dr)^2}^(1/2)dr
=integral(0-r)2a^2/{4a^4-r^4}^(1/2)
とくに,a=1/√2とおくと,
l=integral(0-r)1/{1ーr^4}^(1/2)
となります.
このようにして,ベルヌーイはレムニスケートの弧長を
f(x)=1/(1-x^4)^(1/2)
u=F(z)=integral(0-z)f(x)dx
と表しました.これがレムニスケート積分と呼ばれる典型的な楕円積分です.ただし,レムニスケート積分が第1種楕円積分なのに対し,楕円弧長を求める積分は第2種楕円積分であり,パラレルな関係にはありません.
F(z)の逆関数であるレムニスケートサインsl(u)を求めてみることにしましょう.実際に1/(1-x^4)^(1/2)を2項展開し,さらに項別積分すると
F(z)=z+1/10z5+1/24z9+5/208z16+・・・
この逆関数のべき級数展開は
sl(u)=u-1/10u5+1/120u9+11/15600u13+・・・
=u(1-1/10u4+1/120u8+・・・)
=ug(u4)
となります.
また,
integral(0-1)f(x)dx=1.311028・・・=ω
とおくことにしましょう.4ωがレムニスケートの全長です.すなわち,レムニスケートサインは周期4ωをもつことがわかります.円に類比すると,レムニスケートの定数ωは円に対するπと同じ役割を演じていることになります.さらにまた,レムニスケートには円に共通する性質があり,定規とコンパスだけで奇数のn等分することができる必要十分条件はnがフェルマー素数(n=22^m+1の形の素数:3,5,17,257,65537)であることです.
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