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Jun 14, 2022

Vertex Form

Polygon(多角形)や polyhedron(多面体)などの図形では,2本以上の辺が集まっている点のことを vertex(頂点)といいます.多面体の頂点 (V),辺 (E=edge),面 (F=face) の数に関する Euler's polyhedron theorem (オイラーの多面体定理)$V-E+F=2$ は有名ですよね.

Quadratic function(二次関数)のグラフの形は parabola(放物線)といいますが,その向きが変わる点のことを頂点といい,英語では vertex または turning point といいます.そしてその頂点の座標$(p,q)$がすぐにわかるように表した式$$y=a(x-p)^2+q\tag{1}$$を vertex form といいます.直訳すると頂点形ということになりそうですが,日本語ではこう呼ばれず,基本形と呼ばれています.ところが,これを英語に直訳して basic form というと, $y=ax^2$ を意味することになります.なので式(1)は,英語では vertex form,日本語でも基本形ではなく頂点形と呼ぶ方がよさそうです.

一方,次のように展開された式(2)は general form(一般形)と呼ばれています.$$y=ax^2+bx+c\tag{2}$$この式(2)を式(1)に変形することを,completing square(平方完成)といいます.

さらにもうひとつ,次の式(3)で2次関数を表す方法があります.$$y=a(x-\alpha )(x- \beta)\tag{3}$$これは factorize(因数分解)された形なので factored form(因数分解形 or 分解形),または$x$ intercept($x$切片)$\alpha$,$\beta$がすぐに分かる形なので intercept form(切片形)とも呼ばれています.

上の式(1)と(2)は Standard Form(標準形)と呼ばれることもあり,話が少しややこしくなります.

■式(1)を Standard Form(標準形)と呼んでいる例
(英) https://mathsgee.com/9601/what-is-the-standard-form-of-a-quadratic-function
(日) http://wakarimath.net/explanation/q.php?pID=E00008
■式(2)を Standard Form(標準形)と呼んでいる例
(英) https://www.turito.com/learn/math/quadratic-functions-in-standard-form
(日) https://kaz-academy.com/math-koshiki22/

基本,標準,一般という用語の定義が曖昧であることが原因です.このような〇〇形といういい方は,日本の教科書では使われていないのですが,実際,日英の多くの参考書やサイトでは当たり前のように使われています.

ついでに,他にも 〇〇form といういい方があるので日英で調べてみました.

■Linear Function(一次関数)/ Equation of a Line(直線の方程式)
slope-intercept form $y=mx+k$ 基本形ともいう
standard form(標準形) $ax+by=c$
general form(一般形)        $ax+by+c=0$
intercept form(切片形) $\displaystyle \frac{x}{a}+\frac{y}{b}=1$
point-slope form  $y-y_1=m(x-x_1)$
two-point form  $y-y_1=\frac{y_2-y_1}{x_2-x_1}(x-x_1) $
vector form  $\vec{p}=\vec{a}+t\vec{d}$  or  $\boldsymbol{p}=\boldsymbol{a}+t\boldsymbol{d}$

■Equation of a Circle (円の方程式)
center-radius form $(x-p)^2+(y-q)^2 = r^2$ 標準形または基本形ともいう
general form(一般形) $x^2 + y^2 +lx + my + n = 0$

以上のことから,グラフの特性である頂点や傾き切片や中心半径などがすぐに分かる式の形はその名前を使って頂点形,傾き切片形,中心半径形などと呼び,それを展開した形は一般形と呼ぶのが良いのではないでしょうか.何でも英語に合わせるが良いというのではなく,なるべく意味の曖昧な言葉を使わない方が良いと思います.

Mar 30, 2021

Half-life

検索サイトで"half-life"と入力すると,この名前のゲームが上位にいくつも出てきます.Google翻訳では,"half-life"を「人生の半分」と答えます(2021年3月現在)が,通常「人生の半分」は"Half (of) one's life"といいます.「半生(はんせい)」は「〇〇の半生を描く」というように「それまでの人生」というような意味ですが,「半死半生(はんしはんしょう)は瀕死の状態を表します.実は最近まで「半生」は「はんしょう」と読むものだと思っていました.「人生」の半分だから「はんせい」と読むのでしょうが,「一生」の半分だから「はんしょう」と呼んでもいいのではないでしょうか.

[Quiz]
料理で火を通すのが不十分な場合「半生」と書きます.何と読むでしょうか?

[Answer](この下の行をドラッグしてください)
はんなま

さて,優れた翻訳で有名なDeepL翻訳では"half-life"を「半減期」と答えます.この訳は辞書にも載っていますが,減衰する放射性同位体の量が半分になるのにかかる時間のことをいいます.数学用語というよりは科学用語ですが,指数関数の応用問題には日英ともに頻出しています.

ある時の量$N$から時間$t$の経過につれて一定の割合$\lambda$(decay constant=崩壊定数)で減衰していることを微分方程式で表すと次式になります.$$\frac{dN}{dt}=-\lambda N$$これを変数分離して解くと次のようになります.$\ln$はnatural logarithm(自然対数)です.$$\begin{align}\int \frac{1}{N}dN &= -\int \lambda dt\\ \ln |N|&=-\lambda t+C \\N&=e^C \cdot e^{-\lambda t}\end{align}$$

初期値(t=0のとき)$N_0$とすると,次の式で表せます.$$N=N_0 \cdot e^{-\lambda t}$$これが$N_0$の半分になるので,半減期を$t_{1/2}$とすれば,$$N_0 \cdot e^{-\lambda t_{1/2}}=N_0 \cdot \frac {1}{2}$$これを解くと,$$\begin{align} e^{-\lambda t_{1/2}} &= \frac {1}{2}\\ -\lambda t_{1/2} &= \ln{\frac{1}{2}} \\t_{1/2} &= \frac{\ln{2}}{\lambda} \end{align}$$例えば,化石の年代測定に使われるCarbon-14 (炭素14)$^{14}C$ の半減期は5730±40年なので,$t_{1/2} =5730$で計算すると,崩壊定数$\lambda \approx 1.21\times 10^{-4}$になります.

因みに,以上はPhysical half-life $T_p$(物理学的半減期)の話でしたが,生物が生きている間の代謝による放射性物質の半減期はBiological half-life $T_b$(生物学的半減期)といい,それらを合算したものをEffective half-life $T_e$(実効半減期)といい,次の関係があります.$$ \frac{1}{T_e} = \frac{1}{T_p} + \frac{1}{T_b} $$

[Half-life 問題]
Carbon-14 has a half-life of 5730 years. You are presented with a document which purports to contain the recollections of a Mycenaean soldier during the Trojan War. The city of Troy was finally destroyed in about 1250 BC, or about 3270 years ago. Carbon-dating evaluates the ratio of radioactive carbon-14 to stable carbon-12. Given the amount of carbon-12 contained a measured sample cut from the document, there would have been about 1.3 × 10^–12 grams of carbon-14 in the sample when the parchment was new, assuming the proposed age is correct. According to your equipment, there remains 1.0 × 10^–12 grams. Is there a possibility that this is a genuine document? Or is this instead a recent forgery? Justify your conclusions. (Purplemath)
正解はこちら

[Reference]

Half-life
https://en.wikipedia.org/wiki/Half-life

Purplemath "More Exponential Word Problems"
https://www.purplemath.com/modules/expoprob3.htm

Apr 5, 2020

Line Graph

直線は無限の長さを持つ真っ直ぐな線のことをいい,straight line または単に line ともいいますが,一般に line だけなら直線とは限りません.曲線は curved line または curve といい,線分も line segment または segment というので,これらも広い意味で line です.

[Quiz]
Rayは光線,放射線などの意味がありますが,数学ではどういう意味でしょう?

[Answer](この下の行をドラッグしてください)
半直線

Graph はだいたい line で描かれているので,line graphというと,結局すべての graph を表すのではないか,それならわざわざ line graph といわずに graph だけでいいのではないかと思いますが,実は line graph は折れ線グラフを意味しています.この英語を初めて聞くとまさか折れ線グラフだとは思いませんよね.

折れ線グラフは他にも言い方があって,line chart, polygonal line graph などとも言います.折れ線だけなら polygonal line, broken line とも言いますが,broken line は破線という意味もあります.

日本の小中高で登場する line graph といえば,上のグラフのように値の推移を区切りごとに表すグラフ,統計分野での frequency line graph(度数折れ線)= frequency polygon(度数多角形),右の y=|x| のような absolute value function(絶対値関数)があります.

因みに,make a line と言えば「列を作る」,全部大文字で LINE といえば多くの人が利用しているコミュニケーションアプリですよね.

[Line Graph 問題]
Draw the graph.
(1)  $y=||x|-2|$
(2)  $y=||||x-2|-1|-2|-3|$

解答はこちら

[Reference]
絶対値について
http://shochandas.xsrv.jp/graph/absolutevalue.htm

Mar 11, 2020

Complete Pair & Half Pair

二次関数の頂点を求めるときや,円の中心を求めるときの式の変形を completing the square(平方完成)といいます.形容詞の complete は「完成された」「完全な」「完備な」などと訳されます.一方,2つで一組のものを pair(対)といいますから,complete pair は「完成対」「完全対」「完備対」などと訳せそうですが,さてどんなときに使われるのでしょうか.
We need one complete pair to use the sine rule. The angle or side that we can find is the one that completes another pair.
(35:The Sine Rule © Christine Crisp)
To use the sine rule to answer a question, you must have values for a complete pair i.e the length of a side and corresponding angle, and have the either the side that corresponds to the angle you are trying to find or the angle that corresponds to the side you are trying to find.
(Further Trigonometry - Mr Barton Maths)
Sine Or Cosine Rule?  FuseSchool
以上の文章からすると,sine rule / law of sine(正弦定理)を使って三角形の未知の角または辺を求めるときは,相対する角と辺が分かっている complete pair と,一方だけが分かっている half pair が必要ということになります.

[Quiz]
Find the angle B of the triangle in the right figure (click to enlarge). 

[Answer]
$\displaystyle \frac{5.1}{\sin{100°}}=\frac{3.6}{\sin{B}}$
$\sin{B}=\frac{\sin{100°}}{5.1}×3.6=0.6951...$
$B=\sin^{-1}0.6951...=44.0°$

このように,両方が分かっている pair を complete pair というわけですから,上のどの訳語でも良さそうです.しかし,線型代数学の双線型形式という話の中にperfect pairing(完全対)という用語があり,また,数学のいくつかの分野で complete(完備)という概念もあります.なので,もしどうしても日本語にするとしたら,ここでの complete pair は「完成対」,half pair は「半対」とするのが適切ではないかと思います.

[Complete Pair  & Half Pair 問題]
Find the angle B of △ABC where A=59°, a=8.4cm, b=9.5cm.
(Mathematical Studies Standard level for the IB Diploma - Cambridge University Press 2013)
解答はこちら

[Reference]
Sine Or Cosine Rule? | Trigonometry | Maths | FuseSchoolhttps://www.youtube.com/watch?v=j3VLbjsWdHo

Jun 2, 2019

Riemann Sum

例えば,$y=x^2 \ (0≤x≤1) $のグラフの下の部分をn等分して,各区間の右端を高さとする長方形をn個つくると,その面積和$S_n$は,\begin{eqnarray}
S_n &=& \sum_{k=1}^{n} \frac{1}{n}・ \left( \frac{k}{n}\right)^2\\
&=& \frac{1}{n^3}・\frac{1}{6}n(n+1)(2n+1) \\
&=&\frac{2n^3+3n^2+n}{6n^3}
\end{eqnarray}となり,n→∞にするとその極限値は$\frac{1}{3}$になります.因みに各長方形の高さを左端や中点にしても同じ極限値になります.

このように面積を求める方法を区分求積法といいますが,この英訳を調べると,"classification quadrature method", "partitioning quadrature method",
"quadrature by parts", "sectional measurement", "mensuration by parts" など,様々な言い方があります.ところがこれらの英語で検索してもあまり区分求積法を説明するサイトが現れません.
The process of using sums of areas of rectangles to approximate the area under a curve is called a Riemann sum. This method is named after the German mathematician Georg Friedrich Bernhard Riemann (1826-1866), who generalized the process.
IBDP Mathematics Analysis and Approaches Standard Level (Oxford University Press)
もともと右図のような長方形の有限和を Riemann sum といいますが,上の引用文のように, Riemann sum を使ってこのグラフの下の部分の面積を求める方法も Riemann sum ということがあります.

この図では各区間の右端を長方形の高さにしているので,right Riemann sum といいます.各区間の左端を長方形の高さにする場合はもちろん left Riemann sum といいます.

Bernhard Riemann は,証明できたら100万ドルの賞金が出るという未解決問題,リーマン予想 (Riemann hypothesis) で有名です.日本の初等・中等教育の数学の教科書では,人の名前を冠した用語はあまり出てきませんが,英語の書籍を見てみると,発見者に敬意を表してその名を冠する用語を使うことが多く,ピタゴラスの定理, デカルト座標,パップスの中線定理,リーマン積分,ガウス平面など多数あります.

[Riemann sum 問題]
Approximate the definite integral $\displaystyle \int_{-1}^{1} \left(- t^{3} + 4\right) dt$ using a left Riemann sum with $5$ intervals.   (Math Insight)

(正解はこちら

[Reference]

IBDP Mathematics Analysis and Approaches Standard Level (Oxford University Press)

Math Insight Quiz on Riemann sums and definite integrals
https://mathinsight.org/assess/math201up_spring15/pure_time_differential_equations_quiz2

Jan 4, 2019

Ferris Wheel

Ferris Wheel
Ferris wheelは数学用語ではありませんが,三角関数の応用問題で頻出するので,ぜひ知っておきたい用語です.

Ferrisには特に意味はなく,人名のひとつなので,Ferris wheelというと「フェリスさんの車輪」という意味になりそうですが,これはFerrisという人が世界初の観覧車(Chicago Wheel)を設計したので,それに敬意を表して観覧車のことを一般的にこう呼んでいます.

英国系では観覧車をbig wheel,または巨大なものをgiant wheelと呼ぶこともありますが,英国の出版社であるCambridge University Press,Oxford University Press,Pearson EducationのIB(国際バカロレア)数学の教科書など,多くの場合はFerris wheelという用語が使われています.

Cambridge University Press
The original Ferris Wheel was constructed in 1893 in Chicago. It was just over 80 m tall and could complete one full revolution in 9 minutes. During each revolution, how much time did the passengers spend more than 50 m above the ground? (IB Math SL)

Oxford University Press
A Ferris wheel at an amusement park reaches a maximum height of 46 metres and a minimum height of 1 metre. It takes 20 minutes for the wheel to make one full rotation. Write a sine function to model the height of the child t minutes after boarding the Ferris wheel. (IB Math SL)

Pearson Education
We are surrounded by periodic functions. A few examples include: the average daily temperature variation during the year; sunrise and the day of the year; animal populations over many years; the height of tides and the position of the Moon; and your height above ground when riding a Ferris wheel and the rotation of the wheel. (IB Math SL)

[Ferris Wheel 問題]
The Ferris wheel at the Royal Show turns one full circle every minute. The lowest point is 1 metre from the ground, and the highest point is 25 metres above the ground.
(a) When riding on the Ferris wheel, your height above ground level after t seconds is given by the model h(t)=a+bsin(c(t-d)). Find the values of a, b, c, and d given that you start your ride at the lowest point.
(b) If the motor driving the Ferris wheel breaks down after 91 seconds, how high up would you be while waiting to be rescued?
(IB Math SL : Haese Mathematics)

解答はこちら

[Reference]
IB Math text books by Oxford, Cambridge, Pearson and Haese

Jul 17, 2018

Positive Definite


正定値と訳される positive definite(負定値は negative definite)は,一般には symmetric matrix (対称行列=行と列を交換しても等しい行列)に対して使われる用語ですが,IBDP(国際バカロレア Diploma Program)Math の教科書には,「こんな2次関数を positive definite という」と書かれてあります.
Positive definite quadratics are quadratics which are positive for all values of $x$. So, $ax^2+bx+c>0$ for all $x$∈$\mathbb{ R }$ .
Test: A quadratic is positive definite if and only if $a$>0 and Δ<0.   (Haese SL P37)
Δはdiscriminant(判別式)です.つまり,常に正の値をとる2次関数を positive definite というわけですが,行列における positive definite の定義との関連を見てみましょう.

[行列の positive definite (正定値) の定義]
n×n対称行列$A$が、n個の成分を持つ零ベクトルでない任意の列ベクトル$\boldsymbol{ x }$に対して、$\boldsymbol{ x }^{T}A\boldsymbol{ x }$($\boldsymbol{ x }^{T}$は$\boldsymbol{ x }$の転置行列)が常に正となるとき,行列$A$は positive definite であるといいます.

[2×2行列で言い換えると]
対称行列$A=\begin{pmatrix} a & b \\ b & c \end{pmatrix}$が,零ベクトルでない任意の列ベクトル$\boldsymbol{ x }=\begin{pmatrix} x \\ y \end{pmatrix}$に対して、quadratic form(二次形式=2次の項だけの式)$$\boldsymbol{ x }^{T}A\boldsymbol{ x }=(x \quad y)\begin{pmatrix} a & b \\ b & c \end{pmatrix} \begin{pmatrix} x \\ y \end{pmatrix}=ax^2+2bxy+cy^2$$が常に正となるとき,この行列A,またはこの二次形式を positive definite であるといいます.

[2次関数に当てはめると]
一般に2変数の2次関数(2次の項+1次の項+定数項)は2×2行列を用いて次の式で表せます.$$\boldsymbol{ x }^{T}A\boldsymbol{ x }+\boldsymbol{ b }^{T}x+c
=(x \quad y)\begin{pmatrix} a_{1} & a_{12} \\ a_{12} & a_{2} \end{pmatrix} \begin{pmatrix} x \\ y \end{pmatrix}+(b_{1} \quad b_{2})\begin{pmatrix} x \\ y \end{pmatrix}+c\\
=a_{1}x^2+2a_{12}xy+a_{2}y^2+b_{1}x+b_{2}y+c$$1変数の2次関数を1×1行列で表せば$$(x)(a)(x)+(b)(x)+c=ax^2+bx+c$$となり,$a>0$で$Δ<0$のとき,positive definite になります.

1変数の2次関数を2×2行列の式で表すこともできます.対称行列$A=\begin{pmatrix} a & \frac{b}{2} \\ \frac{b}{2} & c \end{pmatrix}$と,$x$の値が任意の列ベクトル$\boldsymbol{ x }=\begin{pmatrix} x \\ 1 \end{pmatrix}$で、$$\boldsymbol{ x }^{T}A\boldsymbol{ x }=(x \quad 1)\begin{pmatrix} a & \frac{b}{2} \\ \frac{b}{2} & c \end{pmatrix} \begin{pmatrix} x \\ 1 \end{pmatrix}=ax^2+bx+c$$これが常に正となるとき,positive definite になります.

以上のことから,2次関数の positive definite は,対称行列の positive definite の特別な場合であることが分かります.

ここで,$A$の行列式$|A|=ac-\frac{b^2}{4}=-\frac{1}{4}(b^2-4ac)=-\frac{1}{4}Δ>0$なら$Δ<0$となり,その逆も成り立ちますから,$|A|>0$という条件は$ax^2+bx+c$がpositive definiteであるための必要十分条件になります.

因みに positive definite に似た意味で positive quadratic という用語もあります.
For a quadratic function $f(x)=ax^2+bx+c$:
If a>0, f(x) is a positive quadratic. The graph has a minimum point and goes up on both sides.
(Cambridge SL P2) 
If the leading coefficient, a, of the quadratic function $f(x)=ax^2+bx+c$ is positive, the parabola opens upward (concave up)
(Pearson SL P66)
つまり,$ax^2+bx+c$ の $a>0$(下に凸)の場合,この2次関数を positive といいます.

[Reference]

Mathematics for the International Student-IB Diploma: SL
Haese Mathematics

Mathematics for the IB Diploma Standard Level
Cambridge University Press

Pearson Baccalaureate: Standard Level Mathematics for the IB Diploma International Edition
Pearson Education Limited

Feb 7, 2018

Inside and Outside Function

Inside out は裏返しという意味で,inside and outside は裏表とか内外という意味ですが,数学では inside function(内部関数)と outside function(外部関数)はcomposite function(合成関数)を構成する内側と外側の関数のことをいいます.

すなわち,composite function $$f(g(x)) = (f◦g)(x)$$の,g(x)を inside function,f(x)を outside function といいます.これらの用語は日本の数学書ではあまり見られませんね.

英語の数学書ででこれらの用語がよく使われるのは,合成関数の微分の公式,すなわち次の chain rule(連鎖律)の説明のところです.$$\{f(g(x))\}'= (f◦g)'(x)=f'(u)\cdot u'=\frac{dy}{du} \cdot \frac{du}{dx}$$
IB Mathematics Standard Level (Oxford IB Diploma Programme 2012)

これらの用語はプログラミング用語としても使われていて,英語で検索すると数学用語とプログラミング用語の両方で登場しますが,日本語で検索するとほとんどがプログラミング用語として出てきます.つまり数学用語としてはあまり使われていません.

プログラミングではいくつかの処理をまとめたものを関数といいます.例えば,比較的分かりやすいプログラミング言語の Python では,次のように使われます.
def outside():
    msg = "Outside!"
    def inside():
        msg = "Inside!"
        print(msg)
    inside()
    print(msg)
outside()
すなわち,nested structure(入れ子構造)の内側,外側の関数を意味します.このプログラムを execute(実行)してみると,次の結果を得ます.
Inside!
Outside!
これらの用語を見たとき,すぐに思い浮かんだのが1980年のこの曲でした.
"Upside Down" (Diana Ross)
  Upside down
  Boy, you turn me
  Inside out
  And round and round
  上下さかさまよ
  あなたがそうさせるの
  もう裏の裏までよ
  ぐるぐると
(訳:洋楽和訳(lyrics)めったPOPS)
あなたのせいで,私の心はさかさまになって裏返しになってぐるぐる回って大変なのよ! てな感じですかね(笑).

[Inside and Outside Function 問題]

Given that $g(h(x))=2x^2+3x$ and $h(g(x))=x^2+2x-2$ for all real x, which of the following could be the value of g(-2)?
(a) 1     (b) -1     (c) 2     (d) -2
(by CAT MATHEMATICS)

解答はこちら

[Reference]

IB Mathematics Standard Level
by Paul La Rondie,‎ Ed Kem,‎ Laurie Buchanan,‎ Jim Fensom,‎ Jill Stevens (Oxford IB Diploma Programme 2012)

THE CHAIN RULE
https://www.shmoop.com/computing-derivatives/chain-rule.html

数学チュートリアルやさしく語る微分積分
西岡康夫著

A Quick Guide To Nonlocal In Python 3
https://www.smallsurething.com/a-quick-guide-to-nonlocal-in-python-3/

洋楽和訳(lyrics)めったPOPS Upside Down (Diana Ross) 1980
http://mettapops.blog.fc2.com/blog-entry-977.html?sp

CAT MATHEMATICS
by ABHIJIT GUHA (PHI Learning 2014)
 

Jan 18, 2018

Lagrange's Notation, Leibniz's Notation

日本の高校数学の教科書では,Notation for Differentiation(微分の記法)について「関数$y=f(x)$の導関数を$f'(x)$で表し,$y'$や$\frac{dy}{dx}$などで表すこともある」と紹介されていますが,それぞれの記法を使い始めた人の名前まではあまり紹介されていません.

Lagrange's Notation (prime notation)$$y'=f'(x),\ y''=f''(x),\ y^{(4)}=f^{(4)}(x),\ y^{(n)}=f^{(n)}(x)$$$$f_x(x,y), \ f_{xx}(x,y), \ f_{xy}(x,y)$$日本では$y'$をワイダッシュ,$f'(x)$をエフダッシュエクスと読むことが多いですが,英語では"y prime","f prime of x"と読むのでprime notationともいいます.2行目は偏微分の記法で,こちらはsubscript(添え字)を使うのでsubscript notationのひとつになります.

Leibniz's Notation (differential notation)$$\frac{dy}{dx}=\frac{d}{dx}f(x), \quad \frac{d}{dx}\left( \frac{dy}{dx}\right)=\frac{d^2y}{dx^2}$$$$\frac{\partial f}{\partial x}, \ \frac{\partial^2 f}{\partial x^2}, \ \frac{\partial^2 f}{\partial x \partial y}$$$\frac{dy}{dx}$は"the derivative of y with respect to x"と読みますが,短く言う場合は,分数のように"dy over dx"とは読まず,単に"dy dx"と読みます.分数ではないのですが,置換積分のときに,$\frac{dx}{dt}=g'(t)$を形式的に$dx=g'(t)dt$として分数のように扱うことで式変形が容易になっています.

偏微分の$\frac{\partial f}{\partial x}$は,"the partial derivative of f with respect to x"とか"the partial derivative of f in the x direction"と読みますが,"dee f dee x","del f del x","day f day x"などと短く言うことがあります.$\partial$単独では"curly dee","rounded dee"などと言います

IB Mathematics Standard Level (Oxford University Press)
 
以上はよく使われる記法ですが,他にも次のような記法があります.

Euler's Notation (D notation or operator notation)$$Dy=Df, \ D^2y=D^2f$$$$\ D_xf, \ D_{xx}f, \ D_{xy}f$$この表記は多変数の関数でよく使われます.例えば$D_xf$は"D sub x of f"と読みます.

Newton's Notation (Dot Notation)$$\dot{y}, \ \ddot{y}$$この表記はkinematics(運動学)でよく使われ,時刻tにおける位置をyとするとき,velocity(速度)を$\dot{y}$,acceleration(加速度)を$\ddot{y}$で表します.

[Lagrange's Notation, Leibniz's Notation 問題]

Let x be the number of thousands of units of an item produced. The revenue for
selling x units is $r(x) = 4 \sqrt x$ and the cost of producing x units is $c(x) = 2x^2$
a) The profit $p(x)=r(x)-c(x)$. Write an expression for $p(x)$.
b) Find $\frac{dp}{dx}$ and $\frac{d^2p}{dx^2}$.
c) Hence find the number of units that should be produced in order to maximize
the profit.
(IB Mathematics Standard Level (Oxford University Press) exercise 7Y 5)

解答はこちら

[Reference]

IB Mathematics Standard Level (Oxford IB Diploma Programme 2012)
by Paul La Rondie,‎ Ed Kem,‎ Laurie Buchanan,‎ Jim Fensom,‎ Jill Stevens

Notation for differentiation
https://en.wikipedia.org/wiki/Notation_for_differentiation

The Notation of Differentiation
http://web.mit.edu/wwmath/calculus/differentiation/notation.html


https://en.wikipedia.org/wiki/%E2%88%82

How do you pronounce (partial) derivatives?
https://math.stackexchange.com/questions/120504/how-do-you-pronounce-partial-derivatives

Jan 1, 2018

Wrapping Function

歌い方のひとつを意味する"rap"という単語と同じ発音ですが,wのついた方の"wrap"は「包む」という意味です.ではwrapping functionとは何を包む関数なのでしょうか.

Wrapping functionは,直線x=1上のすべての実数$t\in\mathbb{R}$が,
①Unit Square(単位正方形=原点(0, 0)を左下の頂点とする1辺の長さ1の正方形)
②Unit circle(単位円=原点(0, 0)を中心とする半径1の円)
を包みます.

① Wrapping Function of unit square

$W : \mathbb{R}\to\mathbb{R}^2 : t\mapsto (c, s) : W(t)=(c, s)$
ここで,W(t)=(c, s)は,点(1, 0)と(1, t)を結ぶ線分が(1, 0)を基点にして反時計回りにunit square(単位正方形)を包んだ先端の座標になります(t<0の場合は時計回り).

例えば,t=3のときは,(1, 0)と(1, 3)を結ぶ線分が(1, 0)を基点にして反時計回りに単位正方形を包むと,先端は(0, 0)に達するのでW(3)=(0, 0)になります.他の具体例をいくつかあげましょう.
W(1)=(1, 1)
W(1.5)=(0.5, 1)
W(2)=(0, 1)
W(4.2)=(1, 0.2)
W(-4.2)=(0.8, 0)
この場合,0≦t<4または-4<t≦0で1周を包むことができ,4≦|t|なら重なって2重,3重…と包むことになります.

② Wrapping Function of unit circle

$W : \mathbb{R}\to\mathbb{R}^2 : t\mapsto (\cos{t}, \sin{t}) : W(t)=(\cos{t}, \sin{t})$
つまり,W(t)=(cost, sint)は,点(1, 0)と(1, t)を結ぶ線分が(1, 0)を基点にして反時計回りにunit circle(単位円)を包んだ先端の座標になります(t<0の場合は時計回り).


例えば,t=3のときは,(1, 0)と(1, 3)を結ぶ線分が(1, 0)を基点にして反時計回りに単位円を包むと,先端は(cos3, sin3)に達するのでW(3)=(cos3, sin3)=(-0.98999, 0.14412)になります.他の具体例をいくつかあげましょう.
W$\left(\frac{π}{6}\right)=\left(\cos\left(\frac{π}{6}\right), \sin\left(\frac{π}{6}\right)\right)=\left(\frac{\sqrt{3}}{2}, \frac{1}{2}\right)$

W$\left(\frac{π}{4}\right)=\left(\cos\left(\frac{π}{4}\right), \sin\left(\frac{π}{4}\right)\right)=\left(\frac{\sqrt{2}}{2}, \frac{\sqrt{2}}{2}\right)$ 

W$\left(\frac{π}{2}\right)=(0, 1)$
W$(π)=(-1, 0)$
W$\left(-\frac{π}{2}\right)=(0, -1)$
この場合,0≦t<2πまたは-2π<t≦0で1周を包むことができ,2π≦|t|なら重なって2重,3重…と包むことになります.包んでいる様子がわかるものをGeogebraのサイトで見つけたので確認してみてください.

[Wrapping Function 問題]

Q1. Consider a special type of function called a wrapping function. This function, denoted by W, wraps a vertical number line whose origin is at R(1, 0) around a unit square, as shown at the right. With each real number t on the vertical number line, W associates a point P(x, y) on the square. For example, W(1)=(1,1) and W(-1) = (0,0). From W we can define two simpler functions:
      c(t)=x-coordinate of P,
and s(t)=y-coordinate of P.
a. Find W(2), W(3), W(4), and W(5).
b. Explain why W is a periodic function and give its fundamental period.
c. Explain how the periodicity of W guarantees the periodicity of c and s.
d. Sketch the graphs of u=c(t) and u=s(t) in separate tu-planes.

Q2. (Writing) Suppose the unit square in Q1 is replaced with the unit circle. Write a paragraph in which you describe how the wrapping function can
now be used to define the circular functions sine and cosine.

解答はこちら

[Reference]

Pearson Baccalaureate: Standard Level Mathematics for the IB Diploma
Ibrahim Wazir (Author),‎ Tim Garry (Author) : Pearson Education (22 Sept. 2008)

Essential Mathematics for Games and Interactive Applications, Third Edition
James M. Van Verth, Lars M. Bishop : A K Peters/CRC Press (2015/9/15)

The Wrapping Function
http://www.mhhe.com/math/precalc/barnettpc5/graphics/barnett05pcfg/ch05/others/bpc5_ch05-01.pdf

Transformations in two dimensions
http://orca.st.usm.edu/~jchen/courses/graphics/resources/book/chapter10transform2.pdf

The Sine and Cosine Function
http://bn002.weebly.com/uploads/5/8/3/3/58339589/trig_7.3.pdf

Nov 30, 2017

Sign Chart or Sign Diagram

いろいろな意味のある sign ですが,数学では+または-の符号を意味します.すると sign chart は±を示す符号図ということになります.

例えば象限によって異なる三角比の符号を表す図も sign chart といいますが,微分して増減を調べるときも右のような sign chart (or sign diagram) が使われます.

関数 y=f(x) のグラフを書くには,まず first derivative(一次導関数)f'(x)を求め,f'(x)=0 となる点,すなわち stationary point(停留点)(critical point = 臨界点ともいいます)を求め,次に sign chart を書き,first derivative test(一階微分判定法)をするという手順になります.
[First derivative test]
Suppose f(x) is continuous at a stationary point $x_0$.
1. If f'(x)>0 on an open interval extending left from $x_0$ and f'(x)<0 on an open interval extending right from $x_0$, then f(x) has a local maximum (possibly a global maximum) at $x_0$.
2. If f'(x)<0 on an open interval extending left from $x_0$ and f'(x)>0 on an open interval extending right from $x_0$, then f(x) has a local minimum (possibly a global minimum) at $x_0$.
3. If f'(x) has the same sign on an open interval extending left from $x_0$ and on an open interval extending right from $x_0$, then f(x) has an inflection point at $x_0$.
(WolframMathWorld)
つまり,stationary point で,f'(x)の sign が+から-に変われば極大値,-から+に変われば極小値,変わらなければ変曲点であると判定します.英語の本には増減表に当たる用語は見つからず,強いて言えば derivative sign chart がこれに当たり,最後に極値または変曲点のy座標を求めて,グラフを描くということになります.

少し複雑な関数になると,second derivative test(二階微分判定法)で,曲線の凹凸も判定します.日本語との大きな違いは,上に凸とか下に凸ではなく,concave downward(下に凹),concave upward(上に凹)という言い方をすることです.これをconcavity といいます.上にへこんでいるとか下にへこんでいるとか言うのはちょっと変な感じがしますね.

同じ意味ですが,微分を意識せずにparabola(放物線)を考える場合は, 下に凸を opens upward,上に凸を opens downward という言い方をすることが多いです.上に開いているとか下に開いているということになりますが,この言い方の方がまだ違和感が少ないように思います.

Oct 6, 2017

Power Rule

一般に rule といえば規則や決まりという意味に使われますが,数学では場合によって公式,法則,定理などと訳されています.

[examples of rule]
■change of base rule 底の変換公式(change of base formula の方がよく使われますがこの表現もよく使われます),quotient rule 商の微分公式や chain rule 合成関数の微分公式などの derivative rules 導関数の公式,substitution rule 置換積分の公式などの integration rules 積分の公式
■exponent rules / exponential rules 指数法則,log rules / logarithm rules 日本の教科書では「対数の性質」
■sine rule & cosine rule 正弦定理と余弦定理

一般に力という意味の power は,数学では冪(べき=累乗)の意味があります.従って,power rule といえば,冪公式とか冪法則などと訳せそうですが,数学でこの日本語訳は見たことがありません(統計学で冪乗則,精神物理学で冪法則と訳される異なる意味の power law という用語があります).

前置きが長くなりましたが,指数,対数,微分,積分にそれぞれ power rule があります.つまり,次の公式はすべて power rule と呼ばれています.$$(a^m)^n=a^{mn}$$$$\log_{a} M^k=k\log_{a}M$$$$\frac{d}{dx} x^{n}=nx^{n-1}$$$$\int x^{n}dx=\frac{1}{n+1} x^{n+1}+C$$特に最初の指数の公式(指数法則のひとつ)は,power of power rule とか power to power rule とも呼ばれています.

冪の形の英語の読み方は少し難しくて,次のような言い方をします.
$2^2$: two squared
$2^3$: two cubed
$2^4$: two to the power of four / two to the fourth power / two to the fourth / two to the four

余談ですが,1985年の Janet Jackson と Cliff Richard のデュエットで "Two to the Power of Love" という曲がありました.数学的に訳せば「2の愛乗」となりますが,「ふたりのラブソング」という邦題がついていました(笑).

[Reference]
❤︎² Derivatives... How? (mathbff)
https://www.youtube.com/watch?v=hCLfogkqzEk&t=252s
How to read exponential expressions, e.g., “2^16”?
https://english.stackexchange.com/questions/74169/how-to-read-exponential-expressions-e-g-216

Sep 11, 2017

Antilogarithm

Anti-aging(アンチエイジング)といえば老化防止,抗加齢という意味ですね.Anti-warならば反戦というように,antiは主に「抵抗」とか「反対」という意味があります.

1でない正の数aを底とするMの対数 logaM における正の数Mを真数といい,英語ではこれをantilogarithmまたはantilogといって,対数関数の逆関数という意味も持っています.Common logarithm(常用対数)は,Log base 10 とか Briggs' logarithmともいいいますが,この log10M を logM と表すとき,
If logM=x, then M is called the antilogarithm of x and is written as M=antilogx. For example, if log39.2=1.5933, then antilog1.5933=39.2
(math-only-math.com)
The number of which a given number is the logarithm (to a given base). If x is the logarithm of y, then y is the antilogarithm of x.‎
(Wiktionary 英語版)
The inverse function of the logarithm, defined such that $\log_{b}(\mathrm{antilog}_{b}z)=z=\mathrm{antilog}_{b}(\log_{b}z)$. The antilogarithm in base b of z is therefore $b^z$.
(Wolfram MathWorld)
というわけで,指数関数も対数関数の逆関数ですから,底が10のとき,以下の3つの式は全て同じ意味になります.$$10^3=1000$$$$\mbox{antilog} \ 3=1000$$$$\log1000=3$$電卓がないときはcommon log table(常用対数表)を使いますが,antilog table(真数表)もあります.下の表から$10^{0.5678}=3.697$が得られます.因みに電卓を使うと,$10^{0.5678}=3.696579068$まで求められますが,WolframAlphaを使うと,希望すれば小数以下のかなり先まで表示してくれます.

余談ですが,三角比の表も円関数の真数表と呼んでいました.国立国会図書館デジタルコレクションの「對數表及眞數表」には,「常用對數表」の次に「圓函數ノ眞數表(三角比の表)」があり,その次には球面三角法で使われる「圓函數ノ對數表」すなわち10+log10(sinx°)の値の表(例えば10+log10(sin1°)=8.24186)が掲載されています.

因みに,似た用語で antiderivative(原始関数)がありますが,primitive function,primitive integral,indefinite integralとも呼ばれています.

[Reference]
Antilogarithm
http://www.math-only-math.com/antilogarithm.html
How to Use Log Tables
http://abitofauldmaths.org/2013/08/how-to-use-log-tables/
国立国会図書館デジタルコレクション 對數表及眞數表
http://dl.ndl.go.jp/info:ndljp/pid/826552
江戸の数学 > 第1部 和算の歴史 > 第5章 西洋数学の導入 > コラム 三角関数表 > 対数表
http://www.ndl.go.jp/math/s1/c8_3.html

Aug 1, 2017

Circular Functions

Trigonometric functions(三角関数)を,unit circle(単位円)を用いて定義した場合,circular functions(円関数)と呼ぶ場合があります.日本では主に三角関数と呼ばれていますが,英語の本ではCircular FunctionsもTrigonometric Functionsもよく使われています.

■Circular (Trigonometric) Functions 円関数(三角関数)
    sine, cosine, tangent
■Reciprocal Circular Functions 割円関数(割三角関数)
    cosecant, secant, cotangent
■Inverse Circular Functions 逆円関数(逆三角関数)
    arcsine, arccosine, arctangent

このように,circular functionsはcircle(円)を表す関数ではありません.Hyperbolic functions(双曲線関数)もhyperbola(双曲線)を表しません.円関数は円のparameter(媒介変数)表示に,双曲線関数は双曲線の媒介変数表示に使われるのでこの名がついています.

■円の媒介変数表示       $(x, y)=(\cos t, \sin t)$     →  $x^2+y^2=1$
■双曲線の媒介変数表示 $(x, y)=(\cosh t, \sinh t)$  →  $x^2-y^2=1$

世界中最も多くの国で普及している高校カリキュラム「国際バカロレアディプロマプログラム(IB Diploma Program)」のMathematics Higher Level(主に理系向き)ではReciprocal Circular FunctionsもInverse Circular Functionsも登場します.

因みにElliptic Functions(楕円関数)もellipse(楕円)ではありません.

[Reference]
"Mathematics HL Core (3rd edition)" Haese Mathematics

Apr 4, 2017

First Principles

直訳すると「第一原理」となるfirst principlesは形而上学や自然科学における用語としては「他のものから推論することができない命題」という意味があります.数学では定義や公理がこれに当たり,「定理を導くための前提となる命題」ともいえます.

微分の問題で,differentiate from first principlesといわれたら,直訳すれば「第一原理から微分せよ」となりますが,これは「定義に従って微分せよ」という意味で,find the derivative by (using the) limit definitionという表現をする場合もあります.

具体的には,次のlimit definition(微分の定義)の式を使って,derivative(導関数)を求めよという意味になります.$$\begin{align} f'(x) &= \lim_{h\to 0} \frac{f(x + h) - f(x)}{h} \\ &= \lim_{Δx\to 0}\frac{f(x + Δx) - f(x)}{Δx}\end{align}$$よく$h$が使われますが,$Δx$,$δ$,dもよく使われるので,delta methodとも呼ばれています(deltaの大文字は$Δ$,小文字は$δ$,alphabetのdに当たります).

数学で導関数という意味のderivativeは,言語学では派生語,経済学では金融派生商品,化学では誘導体などいろいろな意味があります.「派生する」という動詞deriveのderivative(派生語)になっています.つまり,"derivative"はderivativeです(笑).

例えばtanxの微分は,sinx,cosxを微分してからquotient rule(商の微分)を用いて次のようにすることが多いのですが,$$\begin{align}(\tan x)'  &= \left(\dfrac{\sin x}{\cos x}\right)' \\ &= \dfrac{(\sin x)'\cos x-\sin x(\cos x)'}{\cos^2 x} \\ &= \dfrac{\cos^2x+\sin^2x}{\cos^2 x} \\ &= \dfrac{1}{\cos^2x} \\ &= \sec^2 x \end{align}$$これを微分の定義に従って計算すると次のようになります.$$\begin{align}(\tan x)' &= \lim_{h\to 0}\frac{\tan(x+h)-\tan x}{h} \\ &= \lim_{h\to 0}\dfrac{1}{h}\left(\dfrac{\tan x+\tan h}{1-\tan x\tan h}-\tan x\right) \\ &= \lim_{h\to 0}\dfrac{1}{h}\left(\dfrac{\tan h+\tan^2 x\tan h}{1-\tan x\tan h}\right) \\ &= \lim_{h\to 0}\dfrac{\tan h}{h}\cdot\dfrac{1+\tan^2 x}{1-\tan x\tan h} \\ &= \lim_{h\to 0}\dfrac{\sin h}{h}\cdot\dfrac{1}{\cos h}\cdot\dfrac{1}{1-\tan x\tan h}\cdot\dfrac{1}{\cos^2 x} \\ &= 1\cdot 1\cdot \dfrac{1}{1-0}\cdot \sec^2 x
 \\ &= \sec^2 x \end{align}$$【First Principles 問題】
Differentiate lnx(=logex) from first principles.
定義に従ってlnx(=logex)を微分せよ.
(正解はこちらです)

<Reference>
The Derivative from First Principles - Interactive Mathematics
http://www.intmath.com/differentiation/3-derivative-first-principles.php

Jan 6, 2017

p-series


雑誌や新聞等の連載記事,同テーマで続けて出版される書籍、テレビなどの連続番組,一定期間行われるスポーツの試合などをseriesといいますが,数学では数列の総和をseries(級数)といい,有限数列の和や無限数列の中の有限個の部分和は有限級数,無限数列の和は無限級数といいます.そして,和がある値に確定するときはその値を級数の和といいます.これでは級数の和は「数列の和の和」という意味になってしまいますが,級数は一般にΣまたは+と…などの記号で表したもので,値が確定した場合にのみ,その値を級数の和といいます.

Calculus(微分積分)のconvergence tests(収束判定)の中でよく登場する級数のひとつにp-series(p-級数)$$\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\dfrac{1}{n^p}=\dfrac{1}{1^p}+\dfrac{1}{2^p}+\dfrac{1}{3^p}+\cdots$$があります.これはp=-qとすれば$\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}{n^q}$と表すこともできるのですが,逆数の和ということを強調するためにこう表しています.pの範囲を1より大きい数とする場合,正の数とする場合,実数とする場合などがありますが,p>1で収束し,p≤1で発散するので,Leonhard Euler(1707-1783)の時代はp>1のときにどんな値に収束するのかが主に話題になっていました.例えばp=2のとき,$$\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\dfrac{1}{n^2}=\dfrac{1}{1^2}+\dfrac{1}{2^2}+\dfrac{1}{3^2}+\cdots=\frac{\pi^2}{6}$$となること(Basel problem)もEulerが発見しました.

P-seriesで特にp=1のときは,harmonic series(調和級数)$$\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\dfrac{1}{n}=\dfrac{1}{1}+\dfrac{1}{2}+\dfrac{1}{3}+\cdots$$といい,項が限りなく0に近づくのに∞に発散する(値が無限に大きくなる)ことがよく知られています.この証明は多くの書籍やサイトで解説されていますので探してみてください.

P-seriesのpはpower(冪=べき)を意味するようですが,power series(冪級数)$$\displaystyle\sum_{n=0}^{\infty}{a_nx^n}=a_0+a_1x+a_2x^2+a_3x^3+\cdots$$とは別のものなので,p-seriesのpは,当初positive power(正の冪)のときだけを考えるという意味のpだったのではないかと思います.

因みに,p-seriesの式は,Riemann zeta function(リーマン-ゼータ関数)$$\zeta(s)=\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\dfrac{1}{n^s}=\dfrac{1}{1^s}+\dfrac{1}{2^s}+\dfrac{1}{3^s}+\cdots$$でsをpで表したときと同じ式になっています.後に,Bernhard Riemann(1826-1866)が解析接続をした(定義域を複素数へ広げた)とき,$\zeta(s)$の表記を使ったことに敬意を表して変数にはsが用いられているそうです.

<reference>
Series Convergence Tests
http://aleph0.clarku.edu/~djoyce/ma122/posseries.pdf
"Calculus For Dummies"
by Mark Ryan (2003 For Dummies)
Riemann Zeta Function
http://mathworld.wolfram.com/RiemannZetaFunction.html

May 3, 2016

Tabular Method

表を使う方法という意味のtabular methodは,表解法,表手法,テーブル法などと和訳されていて,高校数学Ⅲのintegration by parts(部分積分)$$\int{uv'}dx=uv-\int{u'v}dx$$のところで,繰り返しの必要な計算を速くするのに役立ちます.この方法は映画"Stand And Deliver(落ちこぼれの天使たち)"(1987年)の中で紹介されたのでStand And Deliver method,または3×3の表に○×を並べていくゲーム"Tic Tac Toe(三目並べ)"に因んでTic-Tac-Toe method(因数分解にもこう呼ばれる解法があります),あるいはrapid repeated integration(直訳すると迅速反復積分?)とも呼ばれることがあります.

具体例をひとつ見てみましょう.下の表より,$$\int{x^2\sin x}dx=-x^2\cos x+2x\sin x+2\cos x+C$$

右側の表をじっくり見てみましょう.左の列は$x^2$を次々に微分したもの,中央の列は$\sin x$を次々に積分したもの,右の列は符号です.折れ線でつながるものを与式の右辺に書き出せば正解が得られます.

繰り返し部分積分を必要とする関数にはexponentials(指数関数),logs(対数関数),trig functions(三角関数),inverse trig functions(逆三角関数),powers(べき関数)別名algebraic functions(代数的関数)の5つがあります.参照した論文ではこの5つの覚え方を次のように紹介していました.
When doing integration by parts, We want to try first to differentiate Logs, Inverse trig functions, Powers, Trig functions and Exponentials. This can be remembered as LIPTE which is close to ”lipton” (the tea).
For coffee lovers, there is an equivalent one: Logs, Inverse trig functions, Algebraic functions, Trig functions and Exponentials which can be remembered as LIATE which is close to ”latte” (the coffee).
(Integration by parts - Harvard Mathematics Department)
5つの関数の頭文字をとって,紅茶好きはliptonに似たLIPTE,コーヒー好きはlatteに似たLIATEと覚えましょうというわけです.

他の分野でもtabular methodという名前のついた解法があり,応用数学ではlinear convolution(線形畳み込み),ブール代数ではminimisation(最小化)などに使われていますが,表を使うということが共通なのであって,実際の方法は全く異なります.

【Tabular Method 問題】
1 Integrate $\displaystyle\int{x^2\log x}dx$
2 Find the anti derivative of $\displaystyle\int{x^6e^x}dx$
3 Find the antiderivative of $\displaystyle\int{e^{-x}\sin x}dx$
(正解はこちら

<Reference>
Integration by parts - Harvard Mathematics Department
http://www.math.harvard.edu/~knill/teaching/math1a_2012/handouts/39-parts.pdf

May 1, 2016

R-alpha Method


日本の高校数学Ⅱに登場する三角関数の合成は,compound angle formula(加法定理)を使って,express asinx+bcosx in the form Rsin(x+α) or Rcos(x+α) すなわち,sinxとcosxのlinear combination(一次結合または線形結合)であるasinx+bcosxをRsin(x+α)またはRcos(x+α)の形に表すことをいい,
R-alpha methodまたはR formulaと呼ばれることがあります.式で表すとこうなります.$$a\sin{x}+b\cos{x}=R\sin\left(x+\alpha\right)$$ ただし,$$R=\sqrt{a^2+b^2},\quad\alpha=\arctan\frac{b}{a}$$簡単な例としてa=b=1のときはこうなります.$$\sin{x}+\cos{x}=\sqrt{2}\sin\left(x+\frac{\pi}{4}\right)$$この意味の英語への直訳は,Synthesis of trigonometric functionsとなりますが,あまり使われていません.synthesisは総合,統合または(化学反応の)合成という意味があり,物理では音の合成にこの用語を使います.この派生語でsynthesiser(またはsynthesizer)という音を合成する機械があります.

大学の理系なら,いろいろな関数を三角関数の線形結合で次のように近似するFourier series(フーリエ級数)を学習します.$$f(x)=\frac{a_0}{2}+\sum_{n=1}^\infty(a_n\cos{nx}+b_n\sin{nx})$$この式の右辺でa0=0, an=bn=n=1のときがすぐ上の式の左辺に当たります.

合成という日本語を使う他の数学用語の例として,composite function(合成関数)があります.これは,ある関数で得られた値をまた別の関数に代入して値を得る場合に使います.例えば,$f(x)=2x$,$g(x)=x^2$のとき,$f\circ g(x)=f(g(x))=2x^2$となります.三角関数の合成関数なら,例えば$\sin(\arccos\frac{3}{5})=\displaystyle \frac{4}{5}$などがそうです.因みに物理ではcomposition of force(力の合成)でこの言葉を使います.

たまたま検索してみたら,Yahoo知恵袋に,「三角関数の合成は,英語で何と言いますか?」という質問と回答があったのですが,そのBest Answerがcompositions of trigonometric functionsとなっていました.これはどうもBest Answerとは言い難いですね.

【R-alpha Method 問題】
Solve the 4sinx+6cosx=3 in the range of 0°≤x<360° by dividing the answers to the nearest degree.
(正解はこちら


Jan 31, 2016

Argand Diagram

Cartesian plane(デカルト平面)の x軸を real axis(実軸)とし,y軸を imaginary axis(虚軸)として複素数$z=x+yi$を表す平面は,complex plane(複素平面),または Gauss(1777-1855)が導入したのでGaussian plane(ガウス平面),または複素数はよくzで表されるのでz-plane(z平面)ともいいます.さらにこの別名で英書によく登場するのが,ガウスより先に用いたとされるJean-Robert Argand (1768–1822)の名をとった Argand plane(アルガン平面)と Argand diagram(アルガン図)という呼び方です.

Wolfram Math Worldというサイトでは,
the Argand diagram (also known as the Argand plane)
WikipediAというサイトでは,
The complex plane is sometimes called the Argand plane because it is used in Argand diagrams
Maths is Funというサイトでは,
plane for complex numbers (It is also called an "Argand Diagram")
Haese MathematicsというIBの教科書では,
We can illustrate complex numbers using vectors on the Argand plane. We call this an Argand diagram.

このように,Argand planeとArgand diagramは同じ意味に使われることが多いですが,時にはArgand plane上にcomplex numbersを図示したものをArgand diagramと呼ぶ場合があります.この用語は日本ではあまり使われませんが,英語での出題で時々用いられるので知っておきたいところです.

複素関数(複素数から複素数への関数)$w=f(z):z=x+yi\rightarrow w=u+vi$は高校では扱われませんが,少し見てみましょう.

複素関数の一次関数は一次分数関数ともいって,$w=\frac{az+b}{cz+d}$で表され,具体的には$w=az, \space \space w=z+b, \space \space w=\frac{1}{z}$の3つの場合があります.はじめの2つは,直線は直線,円は円に写るのですが,最後の式は,直線が円,円が直線に写る場合があります.

複素関数の指数,対数,三角関数はEuler's formula(オイラーの公式)$e^{i\theta}=\cos\theta+i\sin\theta$を元に定義されます.$z=x+yi=r(\cos\theta+i\sin\theta)$としましょう.

まず指数関数は次式になります.$$e^z=e^{x+yi}=e^x\cdot e^{yi}=e^x(\cos y+i\sin y)\tag{1}$$この式にはsinとcosが含まれるので,$e^{z+2n\pi i}$がすべて同じ値になるような周期関数になります.

次に対数関数は次式になります(以降,$\log_e$は$\ln$と書きます).$$\ln z=\ln(re^{i\theta})=\ln r+\ln e^{i\theta}=\ln r+i\theta\tag{2}$$Euler's formulaに$\theta=\pi$を代入するとEuler's identity(オイラーの等式)$$e^{i\pi}=\cos\pi+i\sin\pi=-1$$が得られますが,これを対数の定義で変形すると次式になり,「対数の真数は正」という高校数学の常識が覆ります.$$\ln(-1)=i\pi$$しかし,$z=-1$となるのは$r=1$,$\theta=\pi+2n\pi$のときなので式(2)は無限多価関数になり,$\ln(-1)$は$\pi i$以外にも$3\pi i$,$5\pi i$など,無限個の値をとることになります.

次に三角関数です.z=x+yiのxとyが複素数であってもzはやはりa+biの形になるので,Euler's formulaより$$e^{iz}=\cos z+i\sin z\tag{3}$$$$e^{-iz}=\cos z-i\sin z\tag{4}$$(3)と(4)の和と差をそれぞれ2,2iで割ると$$\cos z=\frac{e^{iz}+e^{-iz}}{2}$$$$\sin z=\frac{e^{iz}-e^{-iz}}{2i}$$となり,これが複素関数の三角関数の定義になっています.もう少し学習が進むと分かるのですが,複素関数を使うと,実数のままでは難しい積分計算も簡単にできる場合があります.その例をひとつあげておきます.$$\int_0^{\infty} \frac{\sin x}{x}dx=\frac{\pi}{2}$$
<Reference>
"Argand Diagram" Wolfram Math World
"Complex plane" WikipediA
"Complex Plane" Maths is Fun
"Mathematics for the international student Mathematics HL (Core) third edition" Haese Mathematics
「解析概論」 高木貞二著


Dec 27, 2015

Squeeze Theorem

別名pinching theoremまたはsandwich theorem ともいいますが,squeeze theoremは日本では「はさみうちの原理」のことです.squeezeというと「搾る」とか「押しつぶす」というイメージがあるので,"pinching"や"sandwich"の方が合うような気がします.日本の数学Ⅲのthe limit of a function(関数の極限)では,$$\lim _{x\rightarrow 0}\frac {x} {\sin x}=1$$の証明に使われています.これは,$$\sin x<x<\tan x$$が成り立つので,各辺を$\sin x$で割ると$$1<\frac{x}{\sin x}<\frac{1}{\cos x}$$になり,右辺の極限が1になることから,$\frac{x}{\sin x}$の極限も1になるというわけです.

海外の高校数学のthe limit of a sequence(数列の極限)の記述を見てみましょう.
The Squeeze Theorem
If we have sequences $\left\{a_n\right\}$, $\left\{b_n\right\} $ and $\left\{c_n\right\} $ such that 
$a_{n}\leq b_{n}\leq c_{n}$ for all $n\in \mathbb{Z} ^{+}$ and $\lim\limits_{n \to \infty} a_n=\lim\limits_{n \to \infty} c_n=L < \infty $
then 
$\lim\limits_{n \to \infty} b_n=L$.
The Squeeze Theorem says that if we can find two sequences that converge to the same limit and squeeze another sequence between them, then that sequence must also converge to the same limit.(Mathematics Higher Level Topic 9 Option Calculus - Cambridge University Press)

なぜ正の整数$\mathbb{Z} ^{+}$と書き,自然数$\mathbb{N}$と書かないのかというと,自然数には0を含む場合もあるからです.

【Squeeze Theorem 問題】
Use the Squeeze Theorem to find $\displaystyle\lim_{n \to \infty} \frac{n^n}{(2n)!}$
(解答はこちら

the limit of a functionの厳密な定義には,Bolzano (1817),Cauchy,Weierstrassらによって確立されたepsilon-delta definition($\varepsilon$-$\delta$論法)を使います.$\lim\limits_{x \to c} f(x)=L$を証明するのに,「どんなに小さな正の数$\varepsilon$があっても,うまく別の正の数$\delta$を決めて$|x-c|<\delta$にすれば$|f(x)-L|<\varepsilon$にできる」ことを示すというものです.このままでは分かりにくいので最も簡単な例を見てみましょう.$f(x)=2x$で,$x$が1に近づくときに$f(x)$が2に近づくことを証明しましょう.当たり前のような感じがしますが,厳密な証明は次のようになります.
小さな正の数$\varepsilon$に対し,$\delta=\frac{\varepsilon}{2}$と決めて,$|x-1|<\frac{\varepsilon}{2}$とすれば,$$|x-1|<\frac{\varepsilon}{2}\Leftrightarrow 2|x-1|<\varepsilon\Leftrightarrow |2x-2|<\varepsilon \Leftrightarrow |f(x)-2|<\varepsilon$$となって,$ |f(x)-2|<\varepsilon$を示すことができました.ここで$\delta=\frac{\varepsilon}{2}$は,上の式を逆算することによって決めることができます.

因みにthe limit of a sequenceの場合は,epsilon-N definition($\varepsilon$-N論法)となります.「どんなに小さな正の数$\varepsilon$があっても,あるNから先のnは$|a_n-L|<\varepsilon$にできる」ことを示します.これも簡単な例を見てみましょう.$a_n=\frac{n + 1}{2n}$で,$n$が限りなく大きくなるときに$a_n$が$\frac{1}{2}$に近づくことを証明しましょう.
小さな正の数$\varepsilon$に対し,$N=\frac{1}{2 \varepsilon }$と決めると,$n>N$では,$$n>\frac{1}{2 \varepsilon }\Leftrightarrow \frac{1}{n}<2\varepsilon\Leftrightarrow  \frac{1}{2n} <\varepsilon \Leftrightarrow \frac{n + 1 - n}{2n} < \varepsilon\Leftrightarrow \frac{n + 1}{2n} - \frac{1}{2} < \varepsilon$$となって,$ |a_n-\frac{1}{2}|<\varepsilon$を示すことができました.ここで$N=\frac{1}{2 \varepsilon }$は,上の式を逆算することによって決めることができます.

<Reference>
Cambridge University Press "Mathematics Higher Level Topic 9 Option Calculus"
Proving Limit of a Sequence using Epsilon N
http://mathhelpforum.com/calculus/206837-proving-limit-sequence-using-epsilon-n.html