重心

三角形の重心

数学物理学において平面図形または立体図形の重心(幾何学的中心図形中心とも呼ばれる)は、図形内のすべての点の平均位置です。同じ定義は、 1次元ユークリッド空間内の任意の物体にも適用されます[1]

幾何学では、質量密度が均一であると仮定することが多く、その場合、重心または質量中心は重心と一致する。非公式には、形状の切り抜き部分(質量が均一に分布している)がピンの先端に完全にバランスよく載る点と理解される。[2]

物理学では、重力の変化を考慮すると、重心は特定の重さ重み付けされたすべての点の加重平均として定義できます

地理学では、地球の表面の領域を海面まで放射状に投影した重心が、その地域の地理的な中心となります。

歴史

「重心」という用語は1814年に造語されました。[3]これは、その点の純粋に幾何学的な側面を強調したい場合に、古い用語である「重心」や「質量中心」の代わりに使用されます。この用語は英語特有のもので、例えばフランス語ではほとんどの場合「centre de gravité」が使用され、他の言語でも同様の意味を持つ用語が使用されています。[要出典]

重心は、その名の通り、力学において、おそらく建築活動に関連して生まれた概念です。この概念が初めて登場した時期は定かではありません。なぜなら、この概念は多くの人々に、それぞれ微妙な違いはあるものの、個々に思い浮かんだものと考えられるからです。とはいえ、図形の重心は古代において広く研究されていました。ボッサットは、平面図形の重心を初めて発見したのはアルキメデス(紀元前287年~212年)であるとしていますが、アルキメデス自身は重心の定義をしていません。[4]アルキメデスによる立体の重心に関する記述は失われています。[5]

三角形の中線が一点(三角形の重心)で交わるという定理をアルキメデスがユークリッドから直接学んだとは考えにくい。なぜなら、この命題は『原論』には記されていないからだ。この命題が初めて明示的に述べられたのは、アレクサンドリアのヘロン(おそらく紀元1世紀)によるもので、彼の『力学』に見られる。ちなみに、この命題が平面幾何学の教科書で一般的に用いられるようになったのは19世紀になってからである。[要出典]

プロパティ

凸面体の幾何学的重心は常にその物体の内部にあります。非凸面体の重心は、図形自体の外側にある場合があります。例えば、指輪ボウルの重心は、その物体の中心空間にあります。

重心が定義されていれば、それはその対称群内のすべての等長変換の不動点となります。特に、物体の幾何学的重心は、そのすべての対称超平面の交点にあります。多くの図形(正多角形正多面体円柱長方形菱形楕円、楕円体、超楕円体楕円体など)の重心は、この原理のみで決定できます。

特に、平行四辺形の重心は、2本の対角線の交点です。これは他の四辺形には当てはまりません

同じ理由で、並進対称性を持つオブジェクトの重心は定義されません(または囲む空間の外側にあります)。これは並進には固定点がないためです。

三角形の重心は、三角形の3つの中線(各中線は頂点と反対側の中点を結ぶ)の交点である。 [6]

三角形の重心のその他の特性については、以下を参照してください。

決定

鉛直線法

下の図 (a) のような均一密度の平面薄板の重心は、下げ振りとピンを使用して、均一密度で形状が同じ薄い物体の重心を見つけることによって実験的に決定できます。物体は、推定される重心から離れた一点に挿入されたピンによって保持され、ピンの周りを自由に回転できます。次に、下げ振りをピンから下ろします (図 b)。下げ振りの位置を表面上でトレースし、物体の重心から離れた任意の異なる点 (または複数の点) にピンを挿入してこの手順を繰り返します。これらの線の唯一の交点が重心になります (図 c)。物体の密度が均一であれば、この方法で作成されたすべての線は重心を含み、すべての線が正確に同じ場所で交差します。

(ア)(イ)(ハ)

この方法は(理論的には)凹面形状(重心が形状の外側にある場合あり)にも拡張でき、また、(やはり均一な密度の)固体(重心が物体の内側にある場合あり)にも仮想的に拡張できます。下げ振りの(仮想的な)位置は、形状に沿って描く以外の方法で記録する必要があります。

バランス調整方法

凸状の二次元形状の場合、その形状を小さな形状、例えば細い円筒の上部にバランスさせることで重心を求めることができます。重心は、二つの形状の接触範囲内(そして、形状がピンの上でバランスをとる点と正確に一致する位置)のどこかにあります。原理的には、徐々に細くなる円筒を用いることで、任意の精度で重心を求めることができます。しかし、実際には空気の流れによってこれは不可能です。しかし、複数のバランスから重なり合う範囲をマークすることで、かなりの精度を達成できます。

有限の点集合の

有限の点集合の重心は[1]であり、この点は集合内の各点とそれ自身との間のユークリッド距離の二乗和を最小化する。

幾何分解により

平面図形の重心は、それを有限個のより単純な図形に分割し、各部分の重心と面積を計算し、次に計算すること によって計算できます。

図の穴がパーツ間で重なったり、図の外側に広がったりしている場合は、すべて負の領域を使用して処理できます。つまり、正負の符号を使用して、特定の点を囲むすべてのパーツの の符号の合計が、に属する場合は になり、そうでない場合は になるように対策を講じる必要があります

たとえば、下の図 (a) は、正の面積を持つ正方形と三角形、および負の面積を持つ円形の穴 (b) に簡単に分割できます。

各部分の重心は、単純図形の重心リスト(c)から見つけることができます。そして、図形の重心は3点の加重平均です。図形の左端からの重心の水平位置は、重心の垂直位置も同様に求められます。

同じ式は任意の3次元物体にも当てはまりますが、それぞれの面積ではなく体積が求められます。また、面積を各部分の-次元寸法に置き換えた任意の次元の の部分集合にも当てはまります

積分式により

部分集合の重心はベクトルの式で計算することもできる。

ここで積分は空間全体に渡って行われサブセットの特性関数であり、それ以外の場合は である。[7] 分母は単にセットの測度であることに注意してください。セットの測度がゼロの場合、またはいずれかの積分が発散する場合は、この式は適用できません。

あるいは、重心の座標上の公式は次のように定義される。

ここではの 番目の座標であり、 はと の等式で定義される超平面の交点の測度である。ここ でも、分母は単に の測度である。

特に平面図形の場合、重心座標は

ここで、図形の面積は横軸の垂直線との交点の長さであり、縦の水平線との交点の長さである。

境界のある領域の

区間上の連続関数のグラフとによって囲まれた領域の重心[ 7] [8]で与えられる。

ここでは領域の面積である( で与えられる)。[9] [10]

インテグラル

積分グラフ(プラニメーターの類似物)は、滑らかな(または部分的に滑らかな)境界を持つ不規則な形状の物体の重心を求めるために使用できます。ここで用いられる数学的原理は、グリーンの定理の特殊なケースです[11]

L字型の物体

これは、L 字型のオブジェクトの重心を決定する方法です。

  1. 図2に示すように、図形を2つの長方形に分割します。対角線を引いて、2つの長方形の重心を求めます。重心を結ぶ線を引きます。図形の重心はこの線上になければなりません。
  2. 図3に示すように、この図形をさらに2つの長方形に分割します。対角線を引いて、これらの2つの長方形の重心を求めます。重心を結ぶ線を引きます。L字型の重心はこの線上になければなりません。
  3. 図形の重心は に沿って位置する必要があり、また に沿って位置するため、これらの 2 つの線の交点にある必要があります。つまり、点はL 字型のオブジェクトの内側または外側にある可能性があります。

三角形の

三角形の重心は、その中線(各頂点と対辺の中点を結ぶ線)の交点である。 [6]重心は、各中線を各辺から対辺の頂点までの距離の で割ったものとなる。つまり、重心は各辺から対辺の頂点までの距離の比で位置する(右の図を参照)。[12] [13] 重心の直交座標は、3つの頂点の座標の平均である。つまり、3つの頂点がとすると、重心(ここでは三角形の幾何学最も一般的には次のように表記される)は、

したがって、重心は重心座標ではにあります

三線座標では、重心は辺の長さと頂点の角度を用いて、以下のいずれかの方法で表現できる[14]

三角形が均一な一枚の板材でできている場合、あるいはすべての質量が3つの頂点に集中し、それらの頂点間で均等に分散している場合、重心は物理的な質量の中心でもあります。一方、質量が三角形の周囲に沿って均一な線密度で分布している場合、質量の中心はスピーカー中心中心三角形内心)にあります。これは(一般に)三角形全体の幾何学的な重心とは一致しません。

三角形の面積は、任意の辺の長さと、その辺から重心までの垂線距離の積である。[15]

三角形の重心は、その垂心と外心を結ぶオイラー線上にあり、外心は垂心より外心の方がちょうど2倍近くなります。[16] [17]

さらに、内心 9点中心については、

が三角形の重心であれ

三角形の重心の等角共役点は、その対称です

重心を通る3本の中線はいずれも三角形の面積を半分に分割します。これは重心を通る他の線には当てはまりません。等面積分割から最も大きく外れるのが、重心を通る線が三角形の辺と平行な場合です。この場合、小さな三角形と台形が形成されます。この場合、台形の面積は元の三角形の面積と同じになります。[18]

頂点と重心を持つ三角形の平面上の任意の点をとします。すると、3つの頂点からの の二乗距離の合計は、頂点からの重心の二乗距離の合計を、の間の二乗距離の3倍だけ超えます[19]

三角形の辺の二乗の合計は、頂点からの重心の二乗の合計の3倍に等しい。[19]

三角形の重心は、三角形の辺から一点までの有向距離の積が最大となる点である。[20]

を三角形とし、をその重心とし、を線分の中点とする。 [21]平面上の任意の点について、

多角形の

頂点によって定義される非自己交差閉多角形の重心は、点[22]で定義される。

そして

そして多角形の符号付き面積は[22]靴ひもの公式で説明されるとおりである

これらの式では、頂点はポリゴンの周囲に沿って発生する順に番号が付けられると想定されています。さらに、頂点は最後のケースと同じ意味であると想定されており、ループする必要があります(ポイントが時計回りの順に番号付けされている場合、上記のように計算された領域は負になりますが、この場合でも重心座標は正しいです)。

非三角形多角形の重心は、その頂点集合のみを考慮した場合、頂点の重心と同じではありません(有限の点集合の重心として。参照: Polygon#Centroid)。

円錐またはピラミッドの

円錐または角錐の重心は、頂点と底面の重心を結ぶ線分上にあります。円錐または角錐が中実の場合、重心は底面から頂点までの距離です。底面のない殻(中空)だけの円錐または角錐の場合、重心は底面から頂点までの距離です。

四面体とn次元単体

面体は、3次元空間で4つの三角形をとして持つオブジェクトです。四面体の頂点と反対の面の重心を結ぶ線分は中線と呼ばれ、2つの向かい合う辺の中点を結ぶ線分は二重中線と呼ばれます。したがって、4つの中線と3つの二重中線があります。これらの7つの線分はすべて、四面体の重心で交わります。[23]中線は重心で次の比で割られます。四面体の重心は、モンジュ点と外心(外接球の中心)の中点です。これら3つの点は、三角形のオイラー線に相似した四面体のオイラー線を定義します。

これらの結果は、任意の次元単体次​​のように一般化される。単体の頂点集合が である場合、頂点をベクトルと見なすと、重心は

質量が単体全体に均一に分布している場合、または等しい質量として頂点に集中している場合、幾何学的重心は質量の中心と一致します。

半球の

中実半球(つまり、球の半分)の重心は、球の中心と半球の極を結ぶ線分をその比で二分します(つまり、中心から極への距離の半分に位置します)。中空半球(つまり、中空球の半分)の重心は、球の中心と半球の極を結ぶ線分を二分します。

参照

注記

  1. ^ ab プロッターとモーリー (1970、p. 520)
  2. ^ プロッターとモーリー (1970、p. 521)
  3. ^ Googleブックスロンドン王立協会哲学論文集
  4. ^ コート、ネイサン・アルトシラー (1960). 「重心に関する注記」.数学教師. 53 (1): 33– 35. doi :10.5951/MT.53.1.0033. JSTOR  27956057.
  5. ^ Knorr, W. (1978). 「アルキメデスの失われた固体の重心に関する論文」 . The Mathematical Intelligencer . 1 (2): 102– 109. doi :10.1007/BF03023072. ISSN  0343-6993. S2CID  122021219.
  6. ^ ab Altshiller-Court (1925, p. 66)
  7. ^ ab プロッターとモーリー (1970、p. 526)
  8. ^ プロッターとモーリー (1970、p. 527)
  9. ^ プロッターとモーリー (1970、p. 528)
  10. ^ ラーソン(1998年、458~460ページ)
  11. ^ サンウィン
  12. ^ アルトシラー・コート(1925年、65ページ)
  13. ^ ケイ(1969年、184ページ)
  14. ^ クラーク・キンバリング著『三角形百科事典』「三角形の中心の百科事典」。2012年4月19日時点のオリジナルよりアーカイブ2012年6月2日閲覧。
  15. ^ ジョンソン(2007年、173ページ)
  16. ^ アルトシラー・コート(1925年、101ページ)
  17. ^ ケイ (1969、18、189、225–226)
  18. ^ ボトムリー、ヘンリー. 「三角形の中央線と面積の二等分線」 . 2013年9月27日閲覧
  19. ^ ab Altshiller-Court (1925, pp. 70–71)
  20. ^ キンバリング、クラーク (201). 「対称点、重心、その他の三角形の中心に関する三線距離不等式」. Forum Geometricorum . 10 : 135–139 .
  21. ^ ジェラルド・A・エドガー、ダニエル・H・ウルマン、ダグラス・B・ウェスト(2018)「問題と解答」アメリカ数学月刊誌、125:1、81-89、DOI: 10.1080/00029890.2018.1397465
  22. ^ バーク(1997)
  23. ^ Leung, Kam-tim; Suen, Suk-nam; 「ベクトル、行列、幾何学」、香港大学出版局、1994年、53-54頁

参考文献

  • アルトシラー・コート、ネイサン(1925年)『カレッジ幾何学:三角形と円の現代幾何学入門』(第2版)、ニューヨーク:バーンズ・アンド・ノーブルLCCN  52013504
  • バーク、ポール(1997年7月)「多角形の面積と重心の計算」
  • ジョンソン、ロジャー A. (2007)、『ユークリッド幾何学上級』ドーバー
  • ケイ、デイビッド C. (1969)、「カレッジジオメトリー」、ニューヨーク:ホルト、ライナーハート、ウィンストンLCCN  69012075
  • ラーソン、ローランド・E.;ホステラー、ロバート・P.;エドワーズ、ブルース・H.(1998年)『一変数微積分学』(第6版)、ホートン・ミフリン社
  • プロッター、マレー H.; モリー、チャールズ B. ジュニア (1970)、『大学微積分学と解析幾何学』(第 2 版)、アディソン・ウェスレー社LCCN  76087042
  • Sangwin, CJ, 機械的手段による質量中心の特定(PDF) 、 2013年11月13日のオリジナル(PDF)からアーカイブ
  • ワイスタイン、エリック・W.「幾何学的重心」。MathWorld
  • クラーク・キンバーリング著『三角形の中心百科事典』。重心はX(2)で示される。
  • 結び目切断時の重心の特性
  • 三角形の重心とコンパスと定規を使った重心の構築を示すインタラクティブなアニメーション
  • シンデレラの重力シミュレータを使用したインタラクティブな動的ジオメトリ スケッチである Dynamic Geometry Sketches で、三角形の中線と重心を実験的に見つけます。
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