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運動方程式の積分に関する質問
置換による計算過程が分かりません。よろしくお願いします。
回答
$ T=2\sqrt{\dfrac{l}{g}} \displaystyle \int_{0}^{\phi_0} \dfrac{d\phi}{\sqrt{\sin^2{\dfrac{\phi_0}{2}} - \sin^2{\dfrac{\phi}{2}}}} \dots$ ①
$\sin \dfrac{\phi}{2} = k_0 \sin \xi $ $ \Bigl(k_0=\sin \dfrac{\phi_0}{2} \Bigr) \dots$ ② と置く。
②を微分して
$\dfrac{1}{2} \cos{\dfrac{\phi}{2}} d\phi = k_0 \cos{\xi} d\xi$
$d \phi = \dfrac{2k_0 \cos{\xi}}{\cos{\dfrac{\phi}{2}}} d\xi$
$= \dfrac{2k_0 \cos{\xi}}{\sqrt{1- \sin^2{\dfrac{\phi}{2}}}} d\xi$
$= \dfrac{2k_0 \cos{\xi}}{\sqrt{1- k_0^2 \sin^2{\xi}}} d\xi \dots$ ③
また②より
$\phi$: $0 \rightarrow \phi_0$ のとき $\xi$:$0 \rightarrow \dfrac{\pi}{2}$
よって①に②③を代入すると
$ T=2\sqrt{\dfrac{l}{g}} \displaystyle \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \dfrac{1}{\sqrt{k_0^2 - k_0^2 \sin^2{\xi}}} \cdot \dfrac{2k_0 \cos{\xi}}{\sqrt{1- k_0^2 \sin^2{\xi}}} d\xi $
$=2\sqrt{\dfrac{l}{g}} \displaystyle \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \dfrac{1}{k_0\cos{\xi}} \cdot \dfrac{2k_0 \cos{\xi}}{\sqrt{1- k_0^2 \sin^2{\xi}}} d\xi $
$=4\sqrt{\dfrac{l}{g}} \displaystyle \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \dfrac{d\xi}{\sqrt{1- k_0^2 \sin^2{\xi}}} $
ここで
$K(k) = \displaystyle \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \dfrac{d\xi}{\sqrt{1- k^2 \sin^2{\xi}}} $
と置くと
$T=4\sqrt{\dfrac{l}{g}} K(k_0)$
$=4\sqrt{\dfrac{l}{g}} K\left(\sin{\dfrac{\phi_0}{2}}\right)$
分かりやすく解説して下さりありがとうございました。助かります。