数学 - Python - JavaScript - オイラーの公式とその応用(Euler's Formula & Its Applications) - オイラーの公式(Euler's Formula) - オイラーの公式の応用 - 微積分に関連した話題(三角関数(正弦、余弦)のべき乗、周期、定積分)

学習環境

Surface 3 (4G LTE)、Surface 3 タイプカバー、Surface ペン(端末)
Windows 10 Pro (OS)
数式入力ソフト(TeX, MathML): MathType
MathML対応ブラウザ: Firefox、Safari
MathML非対応ブラウザ(Internet Explorer, Microsoft Edge, Google Chrome...)用JavaScript Library: MathJax
参考書籍

オイラーの贈物―人類の至宝eiπ=-1を学ぶ (吉田武(著)、東海大学出版会)の第III部(オイラーの公式とその応用(Euler's Formula & Its Applications))、第8章(オイラーの公式(Euler's Formula))、8.2(オイラーの公式の応用)、8.2.4(微積分に関連した話題)、問題5.を取り組んでみる。

1. $\begin{array}{l} \int_{0}^{2 π} \sin^{5} θ d θ \\ = \int_{0}^{2 π} {(\frac{e^{i θ} - e^{- i θ}}{2 i})}^{5} d θ \\ = \int_{0}^{2 π} \frac{e^{5 i θ} - 5 e^{i 4 θ} e^{- i θ} + 10 e^{i 3 θ} e^{- i 2 θ} - 10 e^{i 2 θ} e^{- i 3 θ} + 5 e^{i θ} e^{- i 4 θ} - e^{- i 5 θ}}{2^{5} i} d θ \\ = \frac{1}{2^{5} i} \int_{0}^{2 π} (e^{i 5 θ} - 5 e^{i 4 θ} e^{- i θ} + 10 e^{i 3 θ} e^{- i 2 θ} - 10 e^{i 2 θ} e^{- i 3 θ} + 5 e^{i θ} e^{- i 4 θ} - e^{- i 5 θ}) d θ \\ = \frac{1}{2^{5} i} \int_{0}^{2 π} (e^{i 5 θ} - 5 e^{i 3 θ} + 10 e^{i θ} - 10 e^{- i θ} + 5 e^{- i 3 θ} - e^{- i 5 θ}) d θ \\ = \frac{1}{2^{5} i} (0 - 0 + 0 - 0 + 0 - 0) \\ = 0 \end{array}$
2. $\begin{array}{l} \int_{0}^{2 π} \cos^{6} θ d θ \\ = \int_{0}^{2 π} {(\frac{e^{i θ} + e^{- i θ}}{2})}^{6} d θ \\ = \int_{0}^{2 π} \frac{e^{i 6 θ} + 6 e^{i 5 θ} e^{- i θ} + 15 e^{i 4 θ} e^{- i 2 θ} + 20 e^{i 3 θ} e^{- i 3 θ} + 15 e^{i 2 θ} e^{- i 4 θ} + 6 e^{i θ} e^{- i 5 θ} + e^{- i 6 θ}}{2^{6}} d θ \\ = \frac{1}{2^{6}} \int_{0}^{2 π} (e^{i 6 θ} + 6 e^{i 4 θ} + 15 e^{i 2 θ} + 20 + 15 e^{- i 2 θ} + 6 e^{- i 4 θ} + e^{- i 6 θ}) d θ \\ = \frac{1}{2^{6}} (0 + 0 + 0 + 20 \cdot 2 π + 0 + 0 + 0) \\ = \frac{2^{3} \cdot 5 π}{2^{6}} \\ = \frac{5 π}{2^{3}} \\ = \frac{5 π}{8} \end{array}$

コード(Emacs)

Python 3

#!/usr/bin/env python3
from sympy import symbols, pprint, sin, cos, pi, Integral, plot

print('問題5.')
x = symbols('x')
fs = [sin(x) ** 5, cos(x) ** 6]
for i, f in enumerate(fs, 1):
    print(f'[{i}]')
    I = Integral(f, (x, 0, 2 * pi))
    for t in [I, I.doit()]:
        pprint(t)
        print()
    print()
    p = plot(f, show=False, legend=True)
    p.save(f'sample5_{i}.svg')

入出力結果(Terminal, Jupyter(IPython))

$ ./sample5.py
問題5.
[1]
2⋅π           
 ⌠            
 ⎮     5      
 ⎮  sin (x) dx
 ⌡            
 0            

0


[2]
2⋅π           
 ⌠            
 ⎮     6      
 ⎮  cos (x) dx
 ⌡            
 0            

5⋅π
───
 8 


$

HTML5

<div id="graph0"></div>
<pre id="output0"></pre>
<label for="r0">r = </label>
<input id="r0" type="number" min="0" value="0.5">
<label for="dx">dx = </label>
<input id="dx" type="number" min="0" step="0.0001" value="0.01">
<br>
<label for="x1">x1 = </label>
<input id="x1" type="number" value="-10">
<label for="x2">x2 = </label>
<input id="x2" type="number" value="10">
<br>
<label for="y1">y1 = </label>
<input id="y1" type="number" value="-10">
<label for="y2">y2 = </label>
<input id="y2" type="number" value="10">

<button id="draw0">draw</button>
<button id="clear0">clear</button>

<script type="text/javascript" src="https://cdnjs.cloudflare.com/ajax/libs/d3/4.2.6/d3.min.js" integrity="sha256-5idA201uSwHAROtCops7codXJ0vja+6wbBrZdQ6ETQc=" crossorigin="anonymous"></script>

<script src="sample5.js"></script>

JavaScript

let div0 = document.querySelector('#graph0'),
    pre0 = document.querySelector('#output0'),
    width = 600,
    height = 600,
    padding = 50,
    btn0 = document.querySelector('#draw0'),
    btn1 = document.querySelector('#clear0'),
    input_r = document.querySelector('#r0'),
    input_dx = document.querySelector('#dx'),
    input_x1 = document.querySelector('#x1'),
    input_x2 = document.querySelector('#x2'),
    input_y1 = document.querySelector('#y1'),
    input_y2 = document.querySelector('#y2'),
    inputs = [input_r, input_dx, input_x1, input_x2, input_y1, input_y2],
    p = (x) => pre0.textContent += x + '\n',
    range = (start, end, step=1) => {
        let res = [];
        for (let i = start; i < end; i += step) {
            res.push(i);
        }
        return res;
    };

let f = (x) => Math.sin(x) ** 5,
    g = (x) => Math.cos(x) ** 6;
    
let draw = () => {
    pre0.textContent = '';

    let r = parseFloat(input_r.value),
        dx = parseFloat(input_dx.value),
        x1 = parseFloat(input_x1.value),
        x2 = parseFloat(input_x2.value),
        y1 = parseFloat(input_y1.value),
        y2 = parseFloat(input_y2.value);

    if (r === 0 || dx === 0 || x1 > x2 || y1 > y2) {
        return;
    }    

    let points = [],
        lines = [[0, y1, 0, y2, 'red'],
                 [2 * Math.PI, y1, 2 * Math.PI, y2, 'red']],
        fns = [[f, 'green'],
               [g, 'blue']],
        fns1 = [],
        fns2 = [];

    fns
        .forEach((o) => {
            let [f, color] = o;
            for (let x = x1; x <= x2; x += dx) {
                let y = f(x);

                if (Math.abs(y) < Infinity) {
                    points.push([x, y, color]);
                }
            }
        });                 

    fns2
        .forEach((o) => {
            let [f, color] = o;

            for (let x = x1; x <= x2; x += dx0) {
                let g = f(x);
                lines.push([x1, g(x1), x2, g(x2), color]);
            }
        });
    
    let xscale = d3.scaleLinear()
        .domain([x1, x2])
        .range([padding, width - padding]);
    let yscale = d3.scaleLinear()
        .domain([y1, y2])
        .range([height - padding, padding]);

    let xaxis = d3.axisBottom().scale(xscale);
    let yaxis = d3.axisLeft().scale(yscale);
    div0.innerHTML = '';
    let svg = d3.select('#graph0')
        .append('svg')
        .attr('width', width)
        .attr('height', height);

    svg.selectAll('line')
        .data([[x1, 0, x2, 0], [0, y1, 0, y2]].concat(lines))
        .enter()
        .append('line')
        .attr('x1', (d) => xscale(d[0]))
        .attr('y1', (d) => yscale(d[1]))
        .attr('x2', (d) => xscale(d[2]))
        .attr('y2', (d) => yscale(d[3]))
        .attr('stroke', (d) => d[4] || 'black');

    svg.selectAll('circle')
        .data(points)
        .enter()
        .append('circle')
        .attr('cx', (d) => xscale(d[0]))
        .attr('cy', (d) => yscale(d[1]))
        .attr('r', r)
        .attr('fill', (d) => d[2] || 'green');

    svg.append('g')
        .attr('transform', `translate(0, ${height - padding})`)
        .call(xaxis);

    svg.append('g')
        .attr('transform', `translate(${padding}, 0)`)
        .call(yaxis);

    [fns, fns1, fns2].forEach((fs) => p(fs.join('\n')));
};

inputs.forEach((input) => input.onchange = draw);
btn0.onclick = draw;
btn1.onclick = () => pre0.textContent = '';
draw();

r = dx =
x1 = x2 =
y1 = y2 =

Kamimura's blog

2017年10月23日月曜日

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