\documentclass{jsarticle} \begin{document} \title{数値計算実習課題その1} \author{塩崎淳也} \date{2010年7月15日提出} \maketitle \section{問題1の解答} 中心星、惑星に対して成り立つ運動方程式は、それぞれ \begin{equation} m_1\frac{d^{2}{\bf r_1}}{dt^2} = G\frac{m_1 m_2}{r^3}{\bf r} \end{equation} \begin{equation} m_2\frac{d^{2}{\bf r_2}}{dt^2} = - G\frac{m_1 m_2}{r^3}{\bf r} \end{equation} となる。また、{\bf r}は相対ベクトルなので \begin{equation} \frac{d^{2}{\bf r}}{dt^2} = \frac{d^{2}{\bf r_2}}{dt^2} - \frac{d^{2}{\bf r_1}}{dt^2} \end{equation} ここで、(2)式を$m_2$で割った式から、(1)式を$m_2$で割った式を引くと \begin{eqnarray*} \frac{d^{2}{\bf r_2}}{dt^{2}} - \frac{d^{2}{\bf r_1}}{dt^2} &=& - G\frac{m_1}{r^3}{\bf r} - G\frac{m_2}{r^3}{\bf r} \\ &=& - \frac{G{(m_1 + m_2)}}{r^3}{\bf r} \end{eqnarray*} となり、求める式 \begin{equation} \frac{d^{2}{\bf r}}{dt^2} = - \frac{G{(m_1 + m_2)}}{r^3}{\bf r} \end{equation} が求められた。 考察 : ${\bf r}={\bf r_2}-{\bf r_1}$より、(3)式は中心星に対する惑星の相対運動を表わしているものとわかる。 式をみると力は${\bf r}$方向にのみ働いていることが分かる。このことから中心星と惑星は互いに引き合い、条件(位置,初速度,質量)に依存して様々な軌道を描く円運動をすると考えられる。 \section{問題2の解答} ${\bf r} = (x,y)$より、(3)式を書き換えて、 \begin{eqnarray} \frac{d^{2}}{dt^2}(x,y) = - \frac{G(m_1 + m_2)}{(x^{2} + y^{2})^{\frac{3}{2}}}{(x,y)} \end{eqnarray} ここで$\frac{d}{dt}(x,y) = (v_x,v_y)$なので、(4)式より \begin{eqnarray} \left(\frac{d{v_x}}{dt},\frac{d{v_y}}{dt}\right) = - \frac{G(m_1 + m_2)}{(x^{2} + y^{2})^{\frac{3}{2}}}{(x,y)} \end{eqnarray} \end{document}