楕円積分

以下の定積分をそれぞれ、第一種、第二種、第三種の楕円積分（だえんせきぶん、テンプレート:Lang-en-short）という。ただし、$-1\le k\le 1$である。

$\begin{array}{cc}F(x,k)& =\underset{0}{\overset{x}{\int }}\frac{dt}{\sqrt{(1-t^2)(1-k^2{t}^2)}}\\ E(x,k)& =\underset{0}{\overset{x}{\int }}\sqrt{\frac{1-k^2{t}^2}{1-t^2}}dt\\ \mathrm{\Pi }(a;x,k)& =\underset{0}{\overset{x}{\int }}\frac{dt}{(1-a{t}^2)\sqrt{(1-t^2)(1-k^2{t}^2)}}\end{array}$

定数$k$を母数（modulus）、$a$を特性（characteristic）という。母数$k$の代わりにパラメーター$m=k^2$、あるいはモジュラー角$\alpha ={\sin }^{-1}k$を用いることもあり、慣れない人を混乱させる種になっている。日本語の場合は、特性$a$を助変数（通常はparameterの訳語）と称することもあるので更に注意が必要である。

楕円の弧長など、三次式、或いは四次式の平方根の積分や五次以上の高次方程式は楕円積分に帰着し、初等的に求まらないことが知られている。

ルジャンドルの標準形

最初に示したものはヤコービの標準形であるが、ヤコービの標準形において積分変数$t=\sin \theta$と置けば(置換積分)、幾らか簡単なルジャンドルの標準形が得られる。

$\begin{array}{cc}F(\phi ,k)& =\underset{0}{\overset{\phi }{\int }}\frac{d\theta }{\sqrt{1-k^2{\sin }^2\theta }}\\ E(\phi ,k)& =\underset{0}{\overset{\phi }{\int }}\sqrt{1-k^2{\sin }^2\theta }d\theta \\ \mathrm{\Pi }(a;\phi ,k)& =\underset{0}{\overset{\phi }{\int }}\frac{d\theta }{(1-a{\sin }^2\theta )\sqrt{1-k^2{\sin }^2\theta }}\end{array}$

特定の母数の場合

ヤコービの標準形

$k=0$の場合は逆三角関数に、$k=1$の場合は逆双曲線関数になる。

$\begin{array}{cc}F(x,0)& =\underset{0}{\overset{x}{\int }}\frac{1}{\sqrt{1-t^2}}dt=\underset{0}{\overset{{\sin }^{-1}x}{\int }}\frac{1}{\sqrt{1-{\sin }^2\theta }}(\sin \theta {)}^{\prime }d\theta ={\sin }^{-1}x\\ F(x,1)& =\underset{0}{\overset{x}{\int }}\frac{1}{1-t^2}dt=\underset{0}{\overset{{\tanh }^{-1}x}{\int }}\frac{1}{1-{\tanh }^2\theta }(\tanh \theta {)}^{\prime }d\theta ={\tanh }^{-1}x\\ E(x,0)& =\underset{0}{\overset{x}{\int }}\frac{1}{\sqrt{1-t^2}}dt={\sin }^{-1}x\\ E(x,1)& =\underset{0}{\overset{x}{\int }}dt=x\end{array}$

ルジャンドルの標準形

$\begin{array}{cc}F(\phi ,0)& =E(\phi ,0)=\phi \\ F(\phi ,1)& =\underset{0}{\overset{\phi }{\int }}\frac{1}{\sqrt{1-{\sin }^2\theta }}d\theta ={\mathrm{gd}}^{-1}\phi \\ E(\phi ,1)& =\underset{0}{\overset{\phi }{\int }}\sqrt{1-{\sin }^2\theta }d\theta =\sin \phi \\ \end{array}$

ただし、${\mathrm{gd}}^{-1}\phi$は逆グーデルマン関数である。また特に$a=k^2$のとき、第三種楕円積分は第二種楕円積分で表すことができて、

$\mathrm{\Pi }(k^2;\phi ,k)=\frac{1}{1-k^2}\{E(\phi ,k)-\frac{k^2\sin 2\phi }{2\sqrt{1-k^2{\sin }^2\phi }}\}=\frac{1}{1-k^2}\{E(\phi ,k)+\frac{d^2}{d{\phi }^2}E(\phi ,k)\}$

となる。

第一種完全楕円積分

第一種完全楕円積分は、ルジャンドルの標準形における第一種楕円積分の積分範囲を$\theta =\pi /2$までとしたものである。

$K(k)=F(\frac{\pi }{2},k)=\underset{0}{\overset{\pi /2}{\int }}\frac{1}{\sqrt{1-k^2{\sin }^2\theta }}d\theta$

$k^2{\sin }^2\theta$のテイラー級数に展開した後、ウォリスの公式を用いて項別に積分すると

$\begin{array}{cc}K(k)& =\underset{0}{\overset{\pi /2}{\int }}{(1-k^2{\sin }^2\theta )}^{-\frac{1}{2}}d\theta \\ & =\underset{0}{\overset{\pi /2}{\int }}(1+\sum _{n=1}^{\mathrm{\infty }}\frac{(2n-1)!!}{2^n}\frac{(k^2{\sin }^2\theta {)}^n}{n!})d\theta \\ & =\frac{\pi }{2}+\sum _{n=1}^{\mathrm{\infty }}\frac{(2n-1)!!}{(2n)!!}{k}^{2n}\underset{0}{\overset{\pi /2}{\int }}{\sin }^{2n}\theta d\theta \\ & =\frac{\pi }{2}+\sum _{n=1}^{\mathrm{\infty }}\frac{(2n-1)!!}{(2n)!!}{k}^{2n}\frac{(2n-1)!!}{(2n)!!}\frac{\pi }{2}\\ & =\frac{\pi }{2}(1+\sum _{n=1}^{\mathrm{\infty }}{\left(\frac{(2n-1)!!}{(2n)!!}\right)}^2{k}^{2n})\\ & =\frac{\pi }{2}\sum _{n=0}^{\mathrm{\infty }}{\left(\frac{(2n-1)!!}{(2n)!!}\right)}^2{k}^{2n}\\ \end{array}$

となる。ただし、$(-1)!!=1$と定義する。

第二種完全楕円積分

第二種完全楕円積分は、ルジャンドルの標準形における第二種楕円積分の積分範囲を$\theta =\pi /2$までとしたものである。 テンプレート:Indent $k^2{\sin }^2\theta$のテイラー級数に展開した後、ウォリスの公式を用いて項別に積分すると テンプレート:Indent となる。ただし、$(-1)!!=1$と定義する。

ルジャンドルの関係式

次の恒等式をルジャンドルの関係式という。 テンプレート:Indent

ランデン変換とガウス変換

次の恒等式をランデン変換という。 テンプレート:Indent 次の恒等式をガウス変換という。 テンプレート:Indent

楕円積分の応用

楕円の弧長

楕円$x^2+(y/c{)}^2=1$の弧長は、 テンプレート:Indent となる。離心率$k=\sqrt{1-c^2}$を用いれば、上式は、 テンプレート:Indent となり、第二種楕円積分が現れる。 したがって、楕円の円周上で$x$座標が$0$の点から$x$座標が$x$の点までの弧長は$L(x)=E(x,k)$となる。 ここで$k=0$とすれば楕円は真円になり、弧長は$L(x)=E(x,0)={\sin }^{-1}x$となる（ここでは$\sin$が$x$軸の方向になっていることに注意すること。）。 テンプレート:See also

参考文献

• テンプレート:Cite book
• 竹内端三「楕円函数論」岩波全書(1936年5月15日）、ISBN 978-4-000213271.
• Cody, W. J.: "Chebyshev approximations for the elliptic integrals K and E", Math. Comp., vol.19, pp.105-112 (1965).
• Roland Bulirsch: "Numerical calculation of elliptic integrals and elliptic functions", Numer. Math.,vol.7, pp.78–90 (1965).
• Paul F. Byrd,and Morris D. Friedman: Handbook of Elliptic Integrals for Engineers and Scientists, 2nd Ed., Springer-Verlag, ISBN 978-3-642-65138-0 (1971).
• Toshio Fukushima: "Fast computation of complete elliptic integrals and Jacobian elliptic functions", Celest Mech Dyn Astr, vol.105, pp.305328 (2009).
• Fredrik Johansson: "Numerical Evaluation of Elliptic Functions, Elliptic Integrals and Modular Forms" (2018).

関連項目

• 楕円関数
• 振り子
• レムニスケート

外部リンク

• テンプレート:高校数学の美しい物語