年周視差

Annual Parallax

角運動量

角運動量

定義

時刻 tt における質量 mm の質点の位置ベクトルを r\boldsymbol{r} とするとき,原点まわりの角運動量ベクトル L\boldsymbol{L} は次のように与えられる。

L=m(r×drdt)\boldsymbol{L} = m \left(\boldsymbol{r} \times \dfrac{\mathrm{d} \boldsymbol{r}}{\mathrm{d}t}\right)

角運動量の時間変化率

公式

時刻 tt で位置ベクトル r\boldsymbol{r} にある質点に力 F\boldsymbol{F} がはたらくとき,角運動量ベクトル L\boldsymbol{L} の時間微分は原点まわりの力のモーメントに等しく,次のように表される。

dLdt=r×F\dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{L}}{\mathrm{d}t} = \boldsymbol{r} \times \boldsymbol{F}
導出

質点の速度ベクトルを v\boldsymbol{v} とするとき,角運動量ベクトル L\boldsymbol{L} は

L=m(r×v)\boldsymbol{L} = m (\boldsymbol{r} \times \boldsymbol{v})

この両辺を時刻 tt で微分すると,22 つの微分可能なベクトルの外積の微分をする数学公式

ddt(a(t)×b(t))=da(t)dt×b(t)+a(t)×db(t)dt\dfrac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t} (\boldsymbol{a}(t) \times \boldsymbol{b}(t)) = \dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{a}(t)}{\mathrm{d}t} \times \boldsymbol{b}(t) + \boldsymbol{a}(t) \times \dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{b}(t)}{\mathrm{d}t}

より

dLdt=m(drdt×v+r×dvdt)\dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{L}}{\mathrm{d}t} = m \left( \dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{r}}{\mathrm{d}t} \times \boldsymbol{v} + \boldsymbol{r} \times \dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{v}}{\mathrm{d}t} \right)

右辺第 11 項について,速度の定義より drdt=v\dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{r}}{\mathrm{d}t} = \boldsymbol{v} であるから

drdt×v=v×v=0\dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{r}}{\mathrm{d}t} \times \boldsymbol{v} = \boldsymbol{v} \times \boldsymbol{v} = \boldsymbol{0}

右辺第 22 項について,ニュートンの運動方程式より

mdvdt=Fm \dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{v}}{\mathrm{d}t} = \boldsymbol{F}

が成り立つから,これらを代入すると

dLdt=m(0)+r×(mdvdt)=r×F\begin{aligned} \dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{L}}{\mathrm{d}t} &= m(\boldsymbol{0}) + \boldsymbol{r} \times \left( m \dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{v}}{\mathrm{d}t} \right) \\ &= \boldsymbol{r} \times \boldsymbol{F} \end{aligned}

角運動量保存の法則

定理

質点に力が常に原点,または原点から遠ざかる向きにはたらくとき,角運動量ベクトル L\boldsymbol{L} の時間微分は次のように表される。

dLdt=0\dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{L}}{\mathrm{d}t} = \boldsymbol{0}
導出

質点の位置ベクトルを r\boldsymbol{r} とする。質点にはたらく力ベクトル F\boldsymbol{F} が常に原点を向く,または原点から遠ざかる向きであるとき,力ベクトル F\boldsymbol{F} は位置ベクトル r\boldsymbol{r} と平行である。したがって,kk を実数として次のように表せる。

F=kr\boldsymbol{F} = k \boldsymbol{r}

角運動量の時間変化率と力のモーメントの関係式 dLdt=r×F\dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{L}}{\mathrm{d}t} = \boldsymbol{r} \times \boldsymbol{F} にこれを代入すると,同一のベクトル同士の外積は 0\boldsymbol{0} だから

dLdt=r×(kr)=k(r×r)=0\begin{aligned} \dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{L}}{\mathrm{d}t} &= \boldsymbol{r} \times (k \boldsymbol{r})\\ &= k (\boldsymbol{r} \times \boldsymbol{r})\\ &= \boldsymbol{0} \end{aligned}
説明

質点にはたらく力ベクトルが質点の位置ベクトルと平行である場合,角運動量ベクトル L\boldsymbol{L} は時間的に不変である。これを角運動量保存の法則という。

万有引力

万有引力

定義

原点にある質量 MM の中心天体が,位置ベクトル r\boldsymbol{r} にある質量 mm の質点に及ぼす万有引力ベクトル F\boldsymbol{F} は次のように与えられる。

F=−GMm∣r∣2r∣r∣\boldsymbol{F}=-G\dfrac{Mm}{|\boldsymbol{r}|^2}\dfrac{\boldsymbol{r}}{|\boldsymbol{r}|}

ケプラーの法則

定義
第一法則

天体 A\text{A} は中心天体 C\text{C} を一つの焦点とする楕円軌道上を運動する。すなわち,天体 A\text{A} の位置ベクトルを r\boldsymbol{r},天体 A\text{A} の軌道長半径を aa,原点から近日点の方向を向く離心率ベクトルを e\boldsymbol{e} とすると,次のような関係式が成り立つ。

∣r∣+r⋅e=a(1−∣e∣2)|\boldsymbol{r}| + \boldsymbol{r} \cdot \boldsymbol{e} = a(1 - |\boldsymbol{e}|^2)
第二法則

天体 A\text{A} と太陽とを結ぶ線分が単位時間に掃過する面積は常に一定である。すなわち,時刻 tt における天体 A\text{A} の位置ベクトルを r\boldsymbol{r},天体 A\text{A} の近日点からの回転角を θ\theta,天体 A\text{A} の速度ベクトルを v\boldsymbol{v} とすると,次のような関係式が成り立つ。

12∣r∣2dθdt=12∣r×drdt∣=const.\dfrac{1}{2} |\boldsymbol{r}|^2 \dfrac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t} = \dfrac{1}{2} \left|\boldsymbol{r} \times \dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{r}}{\mathrm{d}t}\right| = \text{const.}
第三法則

天体 A\text{A} の軌道長半径を aa,公転周期を TT とすると,次のような関係式が成り立つ。

T2a3=const.\dfrac{T^2}{a^3} = \text{const.}
導出

第二法則はいずれの導出においてもその全部が第一法則の前半の導出と同一である。

第一法則
導出1

中心天体 C\text{C} の質量を MM,天体 A\text{A} の質量を mm とする。天体 A\text{A} にはたらく力は原点にある天体 B\text{B} からの万有引力のみであるから,万有引力定数を GG として運動方程式は

md2rdt2=−GMm∣r∣2r∣r∣m\dfrac{\mathrm{d}^2\boldsymbol{r}}{\mathrm{d}t^2} = -G\dfrac{Mm}{|\boldsymbol{r}|^2}\dfrac{\boldsymbol{r}}{|\boldsymbol{r}|}

ここで角運動量 L\boldsymbol{L} は

L=m(r×drdt)\boldsymbol{L} = m\left(\boldsymbol{r} \times \dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{r}}{\mathrm{d}t}\right)

両辺を時間 tt で微分すると,22 つの微分可能なベクトルの外積の微分をする数学公式 ddt(a(t)×b(t))=da(t)dt×b(t)+a(t)×db(t)dt\dfrac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t} (\boldsymbol{a}(t) \times \boldsymbol{b}(t)) = \dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{a}(t)}{\mathrm{d}t} \times \boldsymbol{b}(t) + \boldsymbol{a}(t) \times \dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{b}(t)}{\mathrm{d}t} を用いて

dLdt=m(drdt×drdt+r×d2rdt2)\dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{L}}{\mathrm{d}t} = m \left( \dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{r}}{\mathrm{d}t} \times \dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{r}}{\mathrm{d}t} + \boldsymbol{r} \times \dfrac{\mathrm{d}^2\boldsymbol{r}}{\mathrm{d}t^2} \right)

したがって右辺第 11 項について r×r=0\boldsymbol{r} \times \boldsymbol{r} = \boldsymbol{0},第 22 項について md2rdt2=−GMm∣r∣2r∣r∣m\dfrac{\mathrm{d}^2\boldsymbol{r}}{\mathrm{d}t^2} = -G\dfrac{Mm}{|\boldsymbol{r}|^2}\dfrac{\boldsymbol{r}}{|\boldsymbol{r}|} を代入して

dLdt=r×(md2rdt2)=r×(−GMm∣r∣2r∣r∣)=−GMm∣r∣3(r×r)=0\begin{aligned} \dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{L}}{\mathrm{d}t} &= \boldsymbol{r} \times \left( m\dfrac{\mathrm{d}^2\boldsymbol{r}}{\mathrm{d}t^2} \right) \\ &= \boldsymbol{r} \times \left( -G\dfrac{Mm}{|\boldsymbol{r}|^2}\dfrac{\boldsymbol{r}}{|\boldsymbol{r}|} \right) \\ &= -G\dfrac{Mm}{|\boldsymbol{r}|^3} (\boldsymbol{r} \times \boldsymbol{r}) \\ &= \boldsymbol{0} \end{aligned}

ここで,v=drdt\boldsymbol{v}=\dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{r}}{\mathrm{d}t} および加速度ベクトルと角運動量ベクトルの外積 dvdt×L\dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{v}}{\mathrm{d}t} \times \boldsymbol{L} を考えると,22 つの微分可能なベクトルの外積の微分をする数学公式 ddt(a(t)×b(t))=da(t)dt×b(t)+a(t)×db(t)dt\dfrac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t} (\boldsymbol{a}(t) \times \boldsymbol{b}(t)) = \dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{a}(t)}{\mathrm{d}t} \times \boldsymbol{b}(t) + \boldsymbol{a}(t) \times \dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{b}(t)}{\mathrm{d}t} および dLdt=0\dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{L}}{\mathrm{d}t} = \boldsymbol{0} を用いて

ddt(v×L)=dvdt×L+v×dLdt=dvdt×L\begin{aligned} \dfrac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t} (\boldsymbol{v} \times \boldsymbol{L}) &= \dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{v}}{\mathrm{d}t} \times \boldsymbol{L} + \boldsymbol{v} \times \dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{L}}{\mathrm{d}t}\\ &= \dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{v}}{\mathrm{d}t} \times \boldsymbol{L} \end{aligned}

運動方程式 mdvdt=−GMm∣r∣2r∣r∣m \dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{v}}{\mathrm{d}t} = -G\dfrac{Mm}{|\boldsymbol{r}|^2}\dfrac{\boldsymbol{r}}{|\boldsymbol{r}|} および角運動量ベクトル L=m(r×v)\boldsymbol{L} = m(\boldsymbol{r} \times \boldsymbol{v}) を代入すると

ddt(v×L)=(−GMr3r)×(m(r×v))=−GMmr3(r×(r×v))\begin{aligned} \dfrac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t} (\boldsymbol{v} \times \boldsymbol{L}) &= \left( -\dfrac{GM}{r^3} \boldsymbol{r} \right) \times \Big(m (\boldsymbol{r} \times \boldsymbol{v})\Big) \\ & = -\dfrac{GMm}{r^3} \Big( \boldsymbol{r} \times (\boldsymbol{r} \times \boldsymbol{v}) \Big) \end{aligned}

ベクトル三重積を展開する数学公式 a×(b×c)=(a⋅c)b−(a⋅b)c\boldsymbol{a} \times (\boldsymbol{b} \times \boldsymbol{c}) = (\boldsymbol{a} \cdot \boldsymbol{c})\boldsymbol{b} - (\boldsymbol{a} \cdot \boldsymbol{b})\boldsymbol{c} を用いると右辺は

−GMmr3(r×(r×v))=−GMmr3((r⋅v)r−(r⋅r)v)=−GMmr3((r⋅v)r−r2v)\begin{aligned} -\dfrac{GMm}{r^3} \Big( \boldsymbol{r} \times (\boldsymbol{r} \times \boldsymbol{v}) \Big) &= -\dfrac{GMm}{r^3} \Big( (\boldsymbol{r} \cdot \boldsymbol{v})\boldsymbol{r} - (\boldsymbol{r} \cdot \boldsymbol{r})\boldsymbol{v} \Big)\\ &=-\dfrac{GMm}{r^3} \Big( (\boldsymbol{r} \cdot \boldsymbol{v})\boldsymbol{r} - r^2 \boldsymbol{v} \Big) \end{aligned}

ここで,r=∣r∣r = |\boldsymbol{r}| とおき,r⋅r=r2\boldsymbol{r} \cdot \boldsymbol{r} = r^2 の両辺を時間微分すると

2r⋅v=2rdrdtr⋅v=rdrdt\begin{aligned} 2\boldsymbol{r} \cdot \boldsymbol{v} &= 2r \dfrac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}t}\\ \boldsymbol{r} \cdot \boldsymbol{v} &= r \dfrac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}t} \end{aligned}

∣r∣≠0|\boldsymbol{r}| \neq \boldsymbol{0} より,商の微分に関する数学公式 ddx(f(x)g(x))=df(x)dxg(x)−f(x)dg(x)dx{g(x)}2\dfrac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \left( \dfrac{f(x)}{g(x)} \right) = \dfrac{\dfrac{\mathrm{d}f(x)}{\mathrm{d}x} g(x) - f(x) \dfrac{\mathrm{d}g(x)}{\mathrm{d}x}}{\{g(x)\}^2} を用いると,単位位置ベクトルの時間変化は

ddt(rr)=vr−rdrdtr2ddt(rr)=−1r3((r⋅v)r−r2v)(r⋅v)r−r2v=−r3ddt(rr)\begin{aligned} \dfrac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\left(\dfrac{\boldsymbol{r}}{r}\right) &= \dfrac{\boldsymbol{v}r - \boldsymbol{r}\dfrac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}t}}{r^2}\\ \dfrac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\left(\dfrac{\boldsymbol{r}}{r}\right) &= -\dfrac{1}{r^3} \Big( (\boldsymbol{r} \cdot \boldsymbol{v})\boldsymbol{r} - r^2 \boldsymbol{v} \Big)\\ (\boldsymbol{r} \cdot \boldsymbol{v})\boldsymbol{r} - r^2 \boldsymbol{v} &= -r^3\dfrac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\left(\dfrac{\boldsymbol{r}}{r}\right) \end{aligned}

したがって

ddt(v×L)=−GMmr3((r⋅v)r−r2v)ddt(v×L)=GMmddt(rr)\begin{aligned} \dfrac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t} (\boldsymbol{v} \times \boldsymbol{L}) &= -\dfrac{GMm}{r^3} \Big( (\boldsymbol{r} \cdot \boldsymbol{v})\boldsymbol{r} - r^2 \boldsymbol{v} \Big)\\ \dfrac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t} (\boldsymbol{v} \times \boldsymbol{L}) &= GMm \dfrac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\left(\dfrac{\boldsymbol{r}}{r}\right) \end{aligned}

両辺を時間 tt で積分すると,GMmKGMm\boldsymbol{K} を積分定数ベクトルとして

v×L=GMmrr+GMmKv×L=GMm(rr+K)\begin{aligned} \boldsymbol{v} \times \boldsymbol{L} &= GMm \dfrac{\boldsymbol{r}}{r} + GMm\boldsymbol{K}\\ \boldsymbol{v} \times \boldsymbol{L} &= GMm \left( \dfrac{\boldsymbol{r}}{r} + \boldsymbol{K} \right) \end{aligned}

ここで,次のように両辺と位置ベクトル r\boldsymbol{r} との内積をとることを考える。

r⋅(v×L)=(GMm(rr+K))⋅r\boldsymbol{r} \cdot (\boldsymbol{v} \times \boldsymbol{L}) = \bigg(GMm \left(\dfrac{\boldsymbol{r}}{r} + \boldsymbol{K}\right)\bigg)\cdot \boldsymbol{r}

左辺につきスカラー三重積の巡回性に関する数学公式 a⋅(b×c)=(a×b)⋅c\boldsymbol{a} \cdot (\boldsymbol{b} \times \boldsymbol{c}) = (\boldsymbol{a} \times \boldsymbol{b}) \cdot \boldsymbol{c},右辺につき斉次性に関する数学公式 (ka)⋅b=k(a⋅b)(k\boldsymbol{a})\cdot\boldsymbol{b}=k(\boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{b}) および内積の分配法則に関する数学公式 a⋅(b+c)=a⋅b+a⋅c\boldsymbol{a} \cdot (\boldsymbol{b} + \boldsymbol{c}) = \boldsymbol{a} \cdot \boldsymbol{b} + \boldsymbol{a} \cdot \boldsymbol{c} を用いると

(r×v)⋅L=GMm(rr+K)⋅r(Lm)⋅L=GMm(r⋅rr+r⋅K)∣L∣2m=GMm(∣r∣+r⋅K)∣r∣+r⋅K=∣L∣2GMm2\begin{aligned} (\boldsymbol{r} \times \boldsymbol{v}) \cdot \boldsymbol{L} &= GMm \left(\dfrac{\boldsymbol{r}}{r} + \boldsymbol{K}\right)\cdot \boldsymbol{r}\\ \left(\dfrac{\boldsymbol{L}}{m}\right) \cdot \boldsymbol{L} &= GMm \left(\dfrac{\boldsymbol{r} \cdot \boldsymbol{r}}{r} + \boldsymbol{r} \cdot \boldsymbol{K}\right)\\ \dfrac{|\boldsymbol{L}|^2}{m} &= GMm \left(|\boldsymbol{r}| + \boldsymbol{r} \cdot \boldsymbol{K}\right)\\ |\boldsymbol{r}| + \boldsymbol{r} \cdot \boldsymbol{K} &= \dfrac{|\boldsymbol{L}|^2}{GMm^2} \end{aligned}

右辺の定数を p=∣L∣2GMm2p = \dfrac{|\boldsymbol{L}|^2}{GMm^2} とおくと(G>0G>0,M>0M>0 より p>0p>0)

∣r∣+r⋅K=p|\boldsymbol{r}| + \boldsymbol{r} \cdot \boldsymbol{K} = p

ここで定数ベクトル K\boldsymbol{K} が原点から近日点の方向を向く離心率ベクトル e\boldsymbol{e} と等しいことを次の通り示す。

r=∣r∣r=|\boldsymbol{r}|,K=∣K∣K=|\boldsymbol{K}|,位置ベクトル r\boldsymbol{r} とベクトル K\boldsymbol{K} のなす角を θ\theta とおくと,二つのベクトルとそれらがなす角を用いた内積の定義に関する数学公式 a⋅b=∣a∣∣b∣cos⁡θ\boldsymbol{a} \cdot \boldsymbol{b} = \vert{}\boldsymbol{a}\vert{} \vert{}\boldsymbol{b}\vert{} \cos\theta を用いて

r+rKcos⁡θ=pr(1+Kcos⁡θ)=pr=p1+Kcos⁡θ\begin{aligned} r + r K \cos\theta &= p\\ r (1 + K \cos\theta) &= p \\ r &= \dfrac{p}{1 + K \cos\theta} \end{aligned}

[11] K\boldsymbol{K} の向き

軌道上で原点にある中心天体からの距離 rr が最小になる近日点を考える。p>0p>0 だから KK を正とすれば,距離 rr が最小になるのは分母 1+Kcos⁡θ1 + K \cos\theta が最大になるときである。したがって −1≤cos⁡θ≤1-1 \le \cos\theta \le 1 より cos⁡θ=1\cos\theta = 1 すなわち θ=0\theta = 0 のときに分母が最大となる。θ=0\theta = 0 のとき,すなわち位置ベクトル r\boldsymbol{r} と定数ベクトル K\boldsymbol{K} が同じ向きを向くとき,これらのベクトルは同時に近日点に向かう向き,すなわち原点から近日点の方向を向く離心率ベクトル e\boldsymbol{e} と同じ方向を向いている。ゆえに,K\boldsymbol{K} は定数ベクトルだから,これは常に e\boldsymbol{e} と同じ向きを向く。

[22] K\boldsymbol{K} の大きさ

近日点距離を rpr_\text{p},遠日点距離を rar_\text{a} とすると,近日点は前述の通り θ=0\theta=0 のとき,同様に距離 rr が最大になるのは分母 1+Kcos⁡θ1 + K \cos\theta が最小になるときであるから,遠日点は θ=π\theta=\pi のときであり

{  rp=p1+Kcos⁡0=p1+Kra=p1+Kcos⁡π=p1−K\left\{\; \begin{aligned} r_\text{p} &= \dfrac{p}{1 + K \cos 0} = \dfrac{p}{1 + K} \\[8pt] r_\text{a} &= \dfrac{p}{1 + K \cos \pi} = \dfrac{p}{1 - K} \end{aligned} \right.

軌道を楕円とすれば長軸の長さ 2a2a はこの 22 つの和なので

2a=rp+ra=p1+K+p1−K=2p1−K2p=a(1−K2)\begin{aligned} 2a &= r_\text{p} + r_\text{a} \\[5pt] &= \dfrac{p}{1 + K} + \dfrac{p}{1 - K} \\[8pt] &= \dfrac{2p}{1 - K^2} \\[8pt] p &= a(1 - K^2) \end{aligned}

これを rp=p1+Kr_\text{p} = \dfrac{p}{1 + K} に代入して

rp=p1+K=a(1−K2)1+K=a−aK\begin{aligned} r_\text{p} &= \dfrac{p}{1 + K}\\[8pt] &= \dfrac{a(1 - K^2)}{1 + K}\\[8pt] &= a - aK \end{aligned}

ここで中心から焦点(原点)までの距離を cc としたときの,近日点距離 rpr_\text{p} を長半径 aa を用いて表す数学公式

rp=a−cr_\text{p} = a - c

と比較して

c=aKK=cac=aK\\ K=\dfrac{c}{a}

これは中心から焦点までの距離 cc と長半径 aa の比 ca\dfrac{c}{a} を表す離心率 ee の定義に他ならない。

以上[11]および[22]より,大きさおよび向きが原点から近日点の方向を向く離心率ベクトル e\boldsymbol{e} と等しいから

K=e\boldsymbol{K} = \boldsymbol{e}

これらより,∣r∣+r⋅K=p|\boldsymbol{r}| + \boldsymbol{r} \cdot \boldsymbol{K} = p に p=a(1−K2)p = a(1 - K^2),K=∣K∣K=|\boldsymbol{K}| および K=e\boldsymbol{K} = \boldsymbol{e} を代入して

∣r∣+r⋅e=a(1−∣e∣2)|\boldsymbol{r}| + \boldsymbol{r} \cdot \boldsymbol{e} = a(1 - |\boldsymbol{e}|^2)
導出2

中心天体 C\text{C} の質量を MM,天体 A\text{A} の質量を mm とする。天体 A\text{A} について運動方程式を立てると

md2rdt=−GMmr2r∣r∣m\dfrac{\mathrm{d}^2\boldsymbol{r}}{\mathrm{d}t}=-G\dfrac{Mm}{\boldsymbol{r}^2}\dfrac{\boldsymbol{r}}{|\boldsymbol{r}|}

ここで,天体 A\text{A} が常に同一平面上を運動することを次の通り示す。

時刻 t=0t=0 における天体 A\text{A} の初期位置ベクトルを r0\boldsymbol{r}_0,初期速度ベクトルを v0\boldsymbol{v}_0 とする。

[11] r0\boldsymbol{r}_0 と v0\boldsymbol{v}_0 が平行であるとき

力は常にその直線方向を向くため,運動は自明に直線運動し,同一平面上を運動する。

[22] r0\boldsymbol{r}_0 と v0\boldsymbol{v}_0 が平行でないとき

ベクトル r0\boldsymbol{r}_0 と v0\boldsymbol{v}_0 は空間内でただ一つの平面をなす。この平面を xyxy 平面 とし,この平面に垂直な方向に zz 軸 をとる。このとき時刻 t=0t=0 における初期条件は,天体 A\text{A} の zz 座標を tt の関数として

z(0)=0z(0) = 0

かつ速度ベクトル v0\boldsymbol{v}_0 と垂直な方向には当然に速度成分を持たないので,t=0t=0 における zz 軸方向の速さ dzdt\dfrac{\mathrm{d}z}{\mathrm{d}t} は 00 すなわち

dzdt∣t=0=0\left.\dfrac{\mathrm{d}z}{\mathrm{d}t}\right|_{t=0} = 0

時刻 tt における位置ベクトル r\boldsymbol{r} の大きさを tt の関数として r(t)=x(t)2+y(t)2+z(t)2\displaystyle r(t) = \displaystyle\sqrt{x(t)^2 + y(t)^2 + z(t)^2} とおくと,運動方程式の zz 成分のみに注目すれば

md2zdt2=−(GMmr(t)3)z(t)d2zdt2=−(GMr(t)3)z(t)\begin{aligned} m\dfrac{\mathrm{d}^2z}{\mathrm{d}t^2} &= -\left( \dfrac{GMm}{r(t)^3} \right) z(t)\\ \dfrac{\mathrm{d}^2z}{\mathrm{d}t^2} &= -\left( \dfrac{GM}{r(t)^3} \right) z(t) \end{aligned}

f(t)=GMr(t)3f(t) = \dfrac{GM}{r(t)^3} とおくと

d2zdt2+f(t)z=0\dfrac{\mathrm{d}^2z}{\mathrm{d}t^2} + f(t) z = 0

ここで z(t)=0z(t) = 0 という関数を考えると,これは 11 つめの初期条件

z(0)=0z(0) = 0

および 22 つめの初期条件

dzdt∣t=0=0\left.\dfrac{\mathrm{d}z}{\mathrm{d}t}\right|_{t=0} = 0

をそれぞれ満たし,次の通り明らかに方程式を満たす。

d2dt2(0)+f(t)⋅0=0\dfrac{\mathrm{d}^2}{\mathrm{d}t^2}(0) + f(t)\cdot 0 = 0

天体 A\text{A} にはたらく万有引力 F\boldsymbol{F} は r>0r>0 において滑らかであり,天体 A\text{A} の運動方程式においては,初期位置と初期速度が定まればその後の運動は r>0r>0 の範囲においてただ 11 通りにしか決まらない(常微分方程式の極大解の一意性定理)ので,関数 z(t)z(t) について初期条件を満たす解はこれ以外に存在しない。

ゆえに任意の時刻 tt において次の式が成り立ち,天体 A\text{A} が常に同一平面上を運動することが示される。

z(t)=0z(t) = 0

したがって,天体 A\text{A} の位置ベクトル r\boldsymbol{r} は原点 O\mathrm{O} を基準とする平面座標 (x,y)(x, y) で表すことができる。ここで平面極座標 (r,θ)(r, \theta) を導入すると

{x=rcos⁡θy=rsin⁡θ\begin{cases} x = r\cos\theta \\ y = r\sin\theta \end{cases}

天体 A\text{A} の位置ベクトル r\boldsymbol{r} は

r=(xy)=(rcos⁡θrsin⁡θ)\begin{aligned} \boldsymbol{r} &= \begin{pmatrix} x \\ y \end{pmatrix}\\ &= \begin{pmatrix} r\cos\theta \\ r\sin\theta \end{pmatrix} \end{aligned}

天体 A\text{A} の速度ベクトル v\boldsymbol{v} は,xx 成分,yy 成分をそれぞれ vxv_x,vyv_y とすると,積の微分法に関する数学公式 ddx(f(x)g(x))=df(x)dxg(x)+f(x)dg(x)dx\dfrac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \left( f(x)g(x) \right) = \dfrac{\mathrm{d}f(x)}{\mathrm{d}x} g(x) + f(x) \dfrac{\mathrm{d}g(x)}{\mathrm{d}x} および合成関数の微分法に関する数学公式 dydx=dydududx\dfrac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = \dfrac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}u} \dfrac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}x} を用いて

v=drdt=(vxvy)=(drcos⁡θdtdrsin⁡θdt)=(drdtcos⁡θ−rsin⁡θdθdtdrdtsin⁡θ+rcos⁡θdθdt)\begin{aligned} \boldsymbol{v} &= \dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{r}}{\mathrm{d}t}\\ &= \begin{pmatrix} v_x \\ v_y \end{pmatrix}\\ &= \begin{pmatrix} \dfrac{\mathrm{d}r\cos\theta}{\mathrm{d}t} \\[8pt] \dfrac{\mathrm{d}r\sin\theta}{\mathrm{d}t} \end{pmatrix}\\ &= \begin{pmatrix} \dfrac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}t}\cos\theta - r\sin\theta\dfrac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t} \\[8pt] \dfrac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}t}\sin\theta + r\cos\theta\dfrac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t} \end{pmatrix} \end{aligned}

ここでまず,速さの 22 乗 v2=∣v∣2v^2=|\boldsymbol{v}|^2 は数学公式 cos⁡2θ+sin⁡2θ=1\cos^2\theta + \sin^2\theta = 1 を用いて

v2=(drdtcos⁡θ−rsin⁡θdθdt)2+(drdtsin⁡θ+rcos⁡θdθdt)2=(drdt)2(cos⁡2θ+sin⁡2θ)+r2(dθdt)2(sin⁡2θ+cos⁡2θ)=(drdt)2+r2(dθdt)2\begin{aligned} v^2 &= \left(\dfrac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}t}\cos\theta - r\sin\theta\dfrac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}\right)^2 + \left(\dfrac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}t}\sin\theta + r\cos\theta\dfrac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}\right)^2 \\[8pt] &= \left(\dfrac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}t}\right)^2 (\cos^2\theta + \sin^2\theta) + r^2\left(\dfrac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}\right)^2 (\sin^2\theta + \cos^2\theta) \\[8pt] &= \left(\dfrac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}t}\right)^2 + r^2 \left(\dfrac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}\right)^2 \end{aligned}

また,原点まわりの角運動量ベクトル L\boldsymbol{L} は

L=m(r×drdt)\boldsymbol{L} = m\left(\boldsymbol{r} \times \dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{r}}{\mathrm{d}t}\right)

r×drdt\boldsymbol{r} \times \dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{r}}{\mathrm{d}t} に各成分を代入すると,v=drdt=(vxvy0)\displaystyle\boldsymbol{v} = \dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{r}}{\mathrm{d}t} = \begin{pmatrix} v_x \\ v_y \\ 0 \end{pmatrix} として

r×v=(y⋅0−0⋅vy0⋅vx−x⋅0xvy−yvx)=(00xvy−yvx)\begin{aligned} \boldsymbol{r} \times \boldsymbol{v} &= \begin{pmatrix} y \cdot 0 - 0 \cdot v_y \\ 0 \cdot v_x - x \cdot 0 \\ x v_y - y v_x \end{pmatrix}\\ &= \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ x v_y - y v_x \end{pmatrix} \end{aligned}

ここで,zz 成分について r=(rcos⁡θrsin⁡θ)\boldsymbol{r} = \begin{pmatrix} r\cos\theta \\ r\sin\theta \end{pmatrix} および v=(drdtcos⁡θ−rsin⁡θdθdtdrdtsin⁡θ+rcos⁡θdθdt)\boldsymbol{v} = \begin{pmatrix} \dfrac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}t}\cos\theta - r\sin\theta\dfrac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t} \\[8pt] \dfrac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}t}\sin\theta + r\cos\theta\dfrac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t} \end{pmatrix} より cos⁡2θ+sin⁡2θ=1\cos^2\theta + \sin^2\theta = 1 を用いて

xvy−yvx=(rcos⁡θ)(drdtsin⁡θ+rcos⁡θdθdt)−(rsin⁡θ)(drdtcos⁡θ−rsin⁡θdθdt)=(rdrdtcos⁡θsin⁡θ+r2cos⁡2θdθdt)−(rdrdtsin⁡θcos⁡θ−r2sin⁡2θdθdt)=r2(cos⁡2θ+sin⁡2θ)dθdt=r2dθdt\begin{aligned} x v_y - y v_x &= (r\cos\theta)\left(\dfrac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}t}\sin\theta + r\cos\theta\dfrac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}\right) - (r\sin\theta)\left(\dfrac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}t}\cos\theta - r\sin\theta\dfrac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}\right) \\[8pt] &= \left(r\dfrac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}t}\cos\theta\sin\theta + r^2\cos^2\theta\dfrac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}\right) - \left(r\dfrac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}t}\sin\theta\cos\theta - r^2\sin^2\theta\dfrac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}\right) \\[8pt] &= r^2 (\cos^2\theta + \sin^2\theta) \dfrac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t} \\[8pt] &= r^2 \dfrac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t} \end{aligned}

したがって角運動量ベクトル L\boldsymbol{L} の大きさを LL とすると

L=mr2dθdtdθdt=Lmr2\begin{aligned} L &= m r^2 \dfrac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}\\ \dfrac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t} &= \dfrac{L}{mr^2} \end{aligned}

万有引力は保存力だから,運動エネルギーと万有引力による位置エネルギーの和すなわち力学的エネルギー EE は保存されるので

E=12mv2−GMmrE = \dfrac{1}{2}m v^2 - G\dfrac{Mm}{r}

これに速度の式を代入すると

E=12m{(drdt)2+r2(dθdt)2}−GMmrE = \dfrac{1}{2}m \left\{ \left(\dfrac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}t}\right)^2 + r^2 \left(\dfrac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}\right)^2 \right\} - \dfrac{GMm}{r}

dθdt=Lmr2\dfrac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t} = \dfrac{L}{mr^2} より

E=12m(drdt)2+12mr2(Lmr2)2−GMmrE=12m(drdt)2+L22mr2−GMmr12m(drdt)2=E+GMmr−L22mr2(drdt)2=2Em+2GMr−L2m2r2\begin{aligned} E &= \dfrac{1}{2}m \left(\dfrac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}t}\right)^2 + \dfrac{1}{2}m r^2 \left(\dfrac{L}{mr^2}\right)^2 - \dfrac{GMm}{r} \\[8pt] E &= \dfrac{1}{2}m \left(\dfrac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}t}\right)^2 + \dfrac{L^2}{2mr^2} - \dfrac{GMm}{r}\\[8pt] \dfrac{1}{2}m \left(\dfrac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}t}\right)^2 &= E + \dfrac{GMm}{r} - \dfrac{L^2}{2mr^2} \\[8pt] \left(\dfrac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}t}\right)^2 &= \dfrac{2E}{m} + \dfrac{2GM}{r} - \dfrac{L^2}{m^2 r^2} \end{aligned}

合成関数の微分に関する数学公式 dydx=dydu⋅dudx=dydududx\dfrac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = \dfrac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}u} \cdot \dfrac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}x} = \dfrac{\dfrac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}u} }{\dfrac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}x}} を用いて

(drdθ)2=(drdt)2(dθdt)2=2Em+2GMr−L2m2r2(Lmr2)2=(mr2L)2(2Em+2GMr−L2m2r2)=r4L2(2mE+2GMm2r−L2r2)\begin{aligned} \left(\dfrac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}\theta}\right)^2 &= \dfrac{\left(\dfrac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}t}\right)^2}{\left(\dfrac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}\right)^2} = \dfrac{\dfrac{2E}{m} + \dfrac{2GM}{r} - \dfrac{L^2}{m^2 r^2}}{\left(\dfrac{L}{mr^2}\right)^2} \\[10pt] &= \left(\dfrac{mr^2}{L}\right)^2 \left( \dfrac{2E}{m} + \dfrac{2GM}{r} - \dfrac{L^2}{m^2 r^2} \right) \\[10pt] &= \dfrac{r^4}{L^2} \left( 2mE + \dfrac{2GMm^2}{r} - \dfrac{L^2}{r^2} \right) \end{aligned}

したがって drdθ\dfrac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}\theta} は

drdθ=±r2L2mE+2GMm2r−L2r2dθ=±Lr2 dr2mE+2GMm2r−L2r2\begin{aligned} \dfrac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}\theta} &= \pm \dfrac{r^2}{L} \displaystyle\sqrt{2mE + \dfrac{2GMm^2}{r} - \dfrac{L^2}{r^2}}\\ \mathrm{d}\theta &= \pm \dfrac{\dfrac{L}{r^2} \, \mathrm{d}r}{\displaystyle\sqrt{2mE + \dfrac{2GMm^2}{r} - \dfrac{L^2}{r^2}}} \end{aligned}

ここで u=1ru = \dfrac{1}{r} と置換すると,du=−1r2 dr\mathrm{d}u = -\dfrac{1}{r^2} \, \mathrm{d}r すなわち 1r2 dr=−du\dfrac{1}{r^2} \, \mathrm{d}r = -\mathrm{d}u だから,複号を反転させて

dθ=∓L du2mE+2GMm2u−L2u2\mathrm{d}\theta = \mp \dfrac{L \, \mathrm{d}u}{\displaystyle\sqrt{2mE + 2GMm^2 u - L^2 u^2}}

根号の中身について,uu の 22 次式とみなして平方完成を行うと

−L2u2+2GMm2u+2mE=−L2(u2−2GMm2L2u)+2mE=−L2(u−GMm2L2)2+G2M2m4L2+2mE\begin{aligned} -L^2 u^2 + 2GMm^2 u + 2mE &= -L^2 \left( u^2 - \dfrac{2GMm^2}{L^2} u \right) + 2mE \\[8pt] &= -L^2 \left( u - \dfrac{GMm^2}{L^2} \right)^2 + \dfrac{G^2 M^2 m^4}{L^2} + 2mE \end{aligned}

ここで,定数 p=L2GMm2p = \dfrac{L^2}{GMm^2} とすると

GMm2L2=1p\dfrac{GMm^2}{L^2} = \dfrac{1}{p}

また,定数 K=1+2EL2G2M2m3K = \displaystyle\sqrt{1 + \dfrac{2E L^2}{G^2 M^2 m^3}} とすると

G2M2m4L2+2mE=G2M2m4L2(1+2EL2G2M2m3)=(GMm2L)2K2=(LKp)2\dfrac{G^2 M^2 m^4}{L^2} + 2mE = \dfrac{G^2 M^2 m^4}{L^2} \left( 1 + \dfrac{2E L^2}{G^2 M^2 m^3} \right) = \left(\dfrac{GMm^2}{L}\right)^2 K^2 = \left(\dfrac{L K}{p}\right)^2

したがって根号の中身は

−L2(u−1p)2+(Lep)2=L2{(Kp)2−(u−1p)2}-L^2 \left( u - \dfrac{1}{p} \right)^2 + \left(\dfrac{Le}{p}\right)^2 = L^2 \left\{ \left(\dfrac{K}{p}\right)^2 - \left(u - \dfrac{1}{p}\right)^2 \right\}

また,u−1p=Kpcos⁡ϕ(0≤ϕ≤π)u - \dfrac{1}{p} = \dfrac{K}{p} \cos\phi \quad (0 \le \phi \le \pi) とすると,du=−Kpsin⁡ϕ dϕ\mathrm{d}u = -\dfrac{K}{p}\sin\phi \, \mathrm{d}\phi となるから

(Kp)2−(u−1p)2=Kpsin⁡ϕ\displaystyle\sqrt{\left(\dfrac{K}{p}\right)^2 - \left(u - \dfrac{1}{p}\right)^2} = \dfrac{K}{p}\sin\phi

よって dθ\mathrm{d}\theta は

dθ=∓du(Kp)2−(u−1p)2=∓−Kpsin⁡ϕ dϕKpsin⁡ϕ=±dϕ\begin{aligned} \mathrm{d}\theta &= \mp \dfrac{\mathrm{d}u}{\displaystyle\sqrt{\left(\dfrac{K}{p}\right)^2 - \left(u - \dfrac{1}{p}\right)^2}}\\ &= \mp \dfrac{-\dfrac{K}{p}\sin\phi \, \mathrm{d}\phi}{\dfrac{K}{p}\sin\phi}\\ &= \pm \mathrm{d}\phi \end{aligned}

両辺を積分すると,積分定数を θ0\theta_0 として

∫dθ=∫±dϕϕ=±(θ−θ0)\begin{aligned} \int \mathrm{d}\theta &= \int \pm \mathrm{d}\phi\\ \phi &= \pm (\theta - \theta_0) \end{aligned}

数学公式 cos⁡(−x)=cos⁡x\cos (-x) = \cos x より cos⁡ϕ=cos⁡(θ−θ0)\cos\phi = \cos(\theta - \theta_0) とでき

u−1p=Kpcos⁡(θ−θ0)u=1+Kcos⁡(θ−θ0)p\begin{aligned} u - \dfrac{1}{p} &= \dfrac{K}{p} \cos(\theta - \theta_0)\\ u &= \dfrac{1 + K\cos(\theta - \theta_0)}{p} \end{aligned}

u=1ru = \dfrac{1}{r} を代入して整理すると

r=p1+Kcos⁡(θ−θ0)r = \dfrac{p}{1 + K\cos(\theta - \theta_0)}

中心天体からの距離 rr が最小となる近日点を偏角 θ=0\theta = 0 に選ぶと θ0=0\theta_0 = 0 となるから

r=p1+Kcos⁡θ\begin{aligned} r &= \dfrac{p}{1 + K\cos\theta} \end{aligned}

ここで定数 KK が原点から近日点の方向を向く離心率ベクトル e\boldsymbol{e} の大きさ ee と等しいことを次の通り示す。

近日点距離を rpr_\text{p},遠日点距離を rar_\text{a} とすると,近日点は前述の通り θ=0\theta=0 のとき,同様に距離 rr が最大になるのは分母 1+Kcos⁡θ1 + K \cos\theta が最小になるときであるから,遠日点は θ=π\theta=\pi のときであり

{  rp=p1+Kcos⁡0=p1+Kra=p1+Kcos⁡π=p1−K\left\{\; \begin{aligned} r_\text{p} &= \dfrac{p}{1 + K \cos 0} = \dfrac{p}{1 + K} \\[8pt] r_\text{a} &= \dfrac{p}{1 + K \cos \pi} = \dfrac{p}{1 - K} \end{aligned} \right.

軌道を楕円とすれば長軸の長さ 2a2a はこの 22 つの和なので

2a=rp+ra=p1+K+p1−K=2p1−K2p=a(1−K2)\begin{aligned} 2a &= r_\text{p} + r_\text{a} \\[5pt] &= \dfrac{p}{1 + K} + \dfrac{p}{1 - K} \\[8pt] &= \dfrac{2p}{1 - K^2} \\[8pt] p &= a(1 - K^2) \end{aligned}

これを rp=p1+Kr_\text{p} = \dfrac{p}{1 + K} に代入して

rp=p1+K=a(1−K2)1+K=a−aK\begin{aligned} r_\text{p} &= \dfrac{p}{1 + K}\\[8pt] &= \dfrac{a(1 - K^2)}{1 + K}\\[8pt] &= a - aK \end{aligned}

ここで中心から焦点(原点)までの距離を cc としたときの,近日点距離 rpr_\text{p} を長半径 aa を用いて表す数学公式

rp=a−cr_\text{p} = a - c

と比較して

c=aKK=cac=aK\\ K=\dfrac{c}{a}

これは中心から焦点までの距離 cc と長半径 aa の比 ca\dfrac{c}{a} を表す離心率 ee の定義に他ならない。

K=eK=e

ここで,r⋅e=recos⁡θ\boldsymbol{r}\cdot\boldsymbol{e} = re\cos\theta および p=a(1−K2)p = a(1 - K^2),e=∣e∣e=|\boldsymbol{e}|,r=∣r∣r=|\boldsymbol{r}| を用いると

r=p1+Kcos⁡θr+rKcos⁡θ=a(1−K2)r+recos⁡θ=a(1−e2)∣r∣+r⋅e=a(1−∣e∣2)\begin{aligned} r &= \dfrac{p}{1 + K\cos\theta}\\ r + rK\cos\theta &= a(1 - K^2)\\ r + re\cos\theta &= a(1 - e^2)\\ |\boldsymbol{r}| + \boldsymbol{r} \cdot \boldsymbol{e} &= a(1 - |\boldsymbol{e}|^2) \end{aligned}
第二法則

中心天体 C\text{C} の質量を MM,天体 A\text{A} の質量を mm とする。天体 A\text{A} にはたらく力は原点にある天体 B\text{B} からの万有引力のみであるから,万有引力定数を GG として運動方程式は

md2rdt2=−GMm∣r∣2r∣r∣m\dfrac{\mathrm{d}^2\boldsymbol{r}}{\mathrm{d}t^2} = -G\dfrac{Mm}{|\boldsymbol{r}|^2}\dfrac{\boldsymbol{r}}{|\boldsymbol{r}|}

ここで原点まわりの角運動量 L\boldsymbol{L} は

L=m(r×drdt)\boldsymbol{L} = m\left(\boldsymbol{r} \times \dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{r}}{\mathrm{d}t}\right)

両辺を時間 tt で微分すると,22 つの微分可能なベクトルの外積の微分をする数学公式 ddt(a(t)×b(t))=da(t)dt×b(t)+a(t)×db(t)dt\dfrac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t} (\boldsymbol{a}(t) \times \boldsymbol{b}(t)) = \dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{a}(t)}{\mathrm{d}t} \times \boldsymbol{b}(t) + \boldsymbol{a}(t) \times \dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{b}(t)}{\mathrm{d}t} を用いて

dLdt=m(drdt×drdt+r×d2rdt2)\dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{L}}{\mathrm{d}t} = m \left( \dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{r}}{\mathrm{d}t} \times \dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{r}}{\mathrm{d}t} + \boldsymbol{r} \times \dfrac{\mathrm{d}^2\boldsymbol{r}}{\mathrm{d}t^2} \right)

したがって右辺第 11 項について r×r=0\boldsymbol{r} \times \boldsymbol{r} = \boldsymbol{0},第 22 項について md2rdt2=−GMm∣r∣2r∣r∣m\dfrac{\mathrm{d}^2\boldsymbol{r}}{\mathrm{d}t^2} = -G\dfrac{Mm}{|\boldsymbol{r}|^2}\dfrac{\boldsymbol{r}}{|\boldsymbol{r}|} を代入して

dLdt=r×(md2rdt2)=r×(−GMm∣r∣2r∣r∣)=−GMm∣r∣3(r×r)=0\begin{aligned} \dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{L}}{\mathrm{d}t} &= \boldsymbol{r} \times \left( m\dfrac{\mathrm{d}^2\boldsymbol{r}}{\mathrm{d}t^2} \right) \\ &= \boldsymbol{r} \times \left( -G\dfrac{Mm}{|\boldsymbol{r}|^2}\dfrac{\boldsymbol{r}}{|\boldsymbol{r}|} \right) \\ &= -G\dfrac{Mm}{|\boldsymbol{r}|^3} (\boldsymbol{r} \times \boldsymbol{r}) \\ &= \boldsymbol{0} \end{aligned}

したがって,天体 A\text{A} の運動は同一平面内に限られ,かつ原点まわりの角運動量 L\boldsymbol{L} の大きさ LL は時間によらない定数である。したがって

L=m∣r×drdt∣∣r×drdt∣=Lm\begin{aligned} L &= m\left|\boldsymbol{r} \times \dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{r}}{\mathrm{d}t}\right|\\ \left|\boldsymbol{r} \times \dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{r}}{\mathrm{d}t}\right| &= \dfrac{L}{m} \end{aligned}

ここで動径方向の単位ベクトルを er\boldsymbol{e}_r,これに直交し回転角 θ\theta の増加する向きをとる円周方向の単位ベクトルを eθ\boldsymbol{e}_\theta とおくと,位置ベクトルは距離 r=∣r∣r = |\boldsymbol{r}| を用いて

r=rer\boldsymbol{r} = r \boldsymbol{e}_r

動径方向の単位ベクトル er\boldsymbol{e}_r は原点から角度 θ\theta の方向を向く長さ 11 のベクトルだから

er=(cos⁡θsin⁡θ)\boldsymbol{e}_r = \begin{pmatrix} \cos\theta \\ \sin\theta \end{pmatrix}

円周方向の単位ベクトル eθ\boldsymbol{e}_\theta は er\boldsymbol{e}_r に直交し、θ\theta が増加する向き,すなわち反時計回りに 90∘90^\circ 回転した長さ 11 のベクトルだから

eθ=(cos⁡(θ+90∘)sin⁡(θ+90∘))=(−sin⁡θcos⁡θ)\boldsymbol{e}_\theta = \begin{pmatrix} \cos(\theta + 90^\circ) \\ \sin(\theta + 90^\circ) \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} -\sin\theta \\ \cos\theta \end{pmatrix}

角度 θ\theta は時間 tt とともに変化する関数だから,合成関数の微分に関する数学公式 dydx=dydu⋅dudx=dydududx\dfrac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = \dfrac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}u} \cdot \dfrac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}x} = \dfrac{\dfrac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}u} }{\dfrac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}x}} を用いて

derdt=dθdtderdθ=dθdt(ddθcos⁡θddθsin⁡θ)=dθdt(−sin⁡θcos⁡θ)=dθdteθ\begin{aligned} \dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{e}_r}{\mathrm{d}t} &= \dfrac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t} \dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{e}_r}{\mathrm{d}\theta}\\ &= \dfrac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t} \begin{pmatrix} \dfrac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}\theta}\cos\theta \\[6pt] \dfrac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}\theta}\sin\theta \end{pmatrix} \\[10pt] &= \dfrac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t} \begin{pmatrix} -\sin\theta \\ \cos\theta \end{pmatrix}\\ &= \dfrac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t} \boldsymbol{e}_\theta \end{aligned}

天体 A\text{A} の速度ベクトル drdt\dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{r}}{\mathrm{d}t} は,積の微分法に関する数学公式 ddx(f(x)g(x))=df(x)dxg(x)+f(x)dg(x)dx\dfrac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \left( f(x)g(x) \right) = \dfrac{\mathrm{d}f(x)}{\mathrm{d}x} g(x) + f(x) \dfrac{\mathrm{d}g(x)}{\mathrm{d}x} を用いて

drdt=rderdt=drdter+rderdt=drdter+rdθdteθ\begin{aligned} \dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{r}}{\mathrm{d}t} &= r\dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{e}_r}{\mathrm{d}t}\\ &= \dfrac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}t} \boldsymbol{e}_r + r \dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{e}_r}{\mathrm{d}t} \\ &= \dfrac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}t} \boldsymbol{e}_r + r \dfrac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t} \boldsymbol{e}_\theta \end{aligned}

ここで位置ベクトル r\boldsymbol{r} と速度ベクトル drdt\dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{r}}{\mathrm{d}t} の外積をとって

r×drdt=(rer)×(drdter+rdθdteθ)=rdrdt(er×er)+r2dθdt(er×eθ)\begin{aligned} \boldsymbol{r} \times \dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{r}}{\mathrm{d}t} &= (r \boldsymbol{e}_r) \times \left( \dfrac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}t} \boldsymbol{e}_r + r \dfrac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t} \boldsymbol{e}_\theta \right) \\[6pt] &= r \dfrac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}t} (\boldsymbol{e}_r \times \boldsymbol{e}_r) + r^2 \dfrac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t} (\boldsymbol{e}_r \times \boldsymbol{e}_\theta) \end{aligned}

er×er=0\boldsymbol{e}_r \times \boldsymbol{e}_r = \boldsymbol{0} であり,互いに直交する単位ベクトル同士の外積 er×eθ\boldsymbol{e}_r \times \boldsymbol{e}_\theta は軌道面に垂直な単位ベクトルであるから

r×drdt=r2dθdt(er×eθ)\boldsymbol{r} \times \dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{r}}{\mathrm{d}t} = r^2 \dfrac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t} (\boldsymbol{e}_r \times \boldsymbol{e}_\theta)

両辺の大きさをとって整理すると

∣r×drdt∣=r2dθdt=∣r∣2dθdt12∣r∣2dθdt=12∣r×drdt∣\begin{aligned} \left|\boldsymbol{r} \times \dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{r}}{\mathrm{d}t}\right| = r^2 \dfrac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t} = |\boldsymbol{r}|^2 \dfrac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}\\ \dfrac{1}{2} |\boldsymbol{r}|^2 \dfrac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t} = \dfrac{1}{2} \left|\boldsymbol{r} \times \dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{r}}{\mathrm{d}t}\right| \end{aligned}

右辺について ∣r×drdt∣=Lm\left|\boldsymbol{r} \times \dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{r}}{\mathrm{d}t}\right| = \dfrac{L}{m} より定数だから

12∣r∣2dθdt=12∣r×drdt∣=L2m=const.\begin{aligned} \dfrac{1}{2} |\boldsymbol{r}|^2 \dfrac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t} &= \dfrac{1}{2} \left|\boldsymbol{r} \times \dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{r}}{\mathrm{d}t}\right| \\ &= \dfrac{L}{2m} \\ &= \text{const.} \end{aligned}
第三法則

第一法則より,原点に位置する中心天体 C\text{C} から天体 A\text{A} への位置ベクトル r\boldsymbol{r},離心率ベクトル e\boldsymbol{e},軌道長半径 aa の間には次の関係式が成り立つ。

∣r∣+r⋅e=a(1−∣e∣2)|\boldsymbol{r}| + \boldsymbol{r} \cdot \boldsymbol{e} = a(1 - |\boldsymbol{e}|^2)

近日点方向からの回転角を θ\theta,離心率ベクトル e\boldsymbol{e} の大きさを e=∣e∣e = |\boldsymbol{e}|,天体 A\text{A} の位置ベクトル r\boldsymbol{r} の大きさを r=∣r∣r = |\boldsymbol{r}| とおくと,r⋅e=recos⁡θ\boldsymbol{r} \cdot \boldsymbol{e} = r e \cos\theta であるから,中心天体 C\text{C} から天体 A\text{A} までの距離 rr は

r=a(1−e2)1+ecos⁡θr = \dfrac{a(1 - e^2)}{1 + e \cos\theta}

天体 A\text{A} が中心天体 C\text{C} に最も近づく近日点(θ=0\theta = 0)および最も遠ざかる遠日点(θ=π\theta = \pi)における距離をそれぞれ rp,rar_{\text{p}}, r_\text{a} とおくと

{rp=a(1−e)ra=a(1+e)\left\{ \begin{aligned} r_{\text{p}} &= a(1 - e)\\ r_\text{a} &= a(1 + e) \end{aligned} \right.

ここで近日点および遠日点における天体 A\text{A} の速度 drdt\dfrac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}t} は,合成関数の微分法に関する数学公式 dydx=dydududx\dfrac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = \dfrac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}u} \dfrac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}x} および商の微分に関する数学公式 ddx(f(x)g(x))=df(x)dxg(x)−f(x)dg(x)dx{g(x)}2\dfrac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \left( \dfrac{f(x)}{g(x)} \right) = \dfrac{\dfrac{\mathrm{d}f(x)}{\mathrm{d}x} g(x) - f(x) \dfrac{\mathrm{d}g(x)}{\mathrm{d}x}}{\{g(x)\}^2} を用いて

drdt=drdθ⋅dθdt=ddθa(1−e2)1+ecos⁡θ⋅dθdt=a(1−e2)⋅esin⁡θ(1+ecos⁡θ)2dθdt\begin{aligned} \dfrac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}t} &= \dfrac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}\theta} \cdot \dfrac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}\\ &= \dfrac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}\theta}\dfrac{a(1 - e^2)}{1 + e \cos\theta} \cdot \dfrac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}\\ &= \dfrac{a(1 - e^2) \cdot e\sin\theta}{(1 + e\cos\theta)^2}\dfrac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t} \end{aligned}

近日点(θ=0\theta = 0)および遠日点(θ=π\theta = \pi)ではともに

{sin⁡0=0sin⁡π=0\left\{ \begin{aligned} \sin 0 &= 0\\ \sin \pi &= 0 \end{aligned} \right.

だからいずれの場合でも

drdθ=0\dfrac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}\theta} = 0

よって動径方向の速度 drdt\dfrac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}t} は

drdt=a(1−e2)⋅esin⁡θ(1+ecos⁡θ)2dθdt=a(1−e2)⋅e⋅0(1+ecos⁡θ)2dθdt=0\begin{aligned} \dfrac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}t} &= \dfrac{a(1 - e^2) \cdot e\sin\theta}{(1 + e\cos\theta)^2}\dfrac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}\\ &= \dfrac{a(1 - e^2) \cdot e \cdot 0}{(1 + e\cos\theta)^2}\dfrac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}\\ &=0 \end{aligned}

動径方向の速度が 00 なので,天体 A\text{A} の速度ベクトルの大きさは方位角方向の速度と等しい。したがって近日点,遠日点における天体 A\text{A} の位置ベクトルをそれぞれ rp,ra{\boldsymbol{r}_\text{p}}, {\boldsymbol{r}_\text{a}},速度ベクトルをそれぞれ vp,va{\boldsymbol{v}_\text{p}}, {\boldsymbol{v}_\text{a}},その大きさをそれぞれ vp,va{v_\text{p}}, {v_\text{a}} とすると

{drpdt=vp=(0vp)dradt=va=(0va)\left\{ \begin{aligned} \dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{r}_\text{p}}{\mathrm{d}t} &= \boldsymbol{v}_\text{p} = \begin{pmatrix} 0\\ v_\text{p} \end{pmatrix}\\[10pt] \dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{r}_\text{a}}{\mathrm{d}t} &= \boldsymbol{v}_\text{a} = \begin{pmatrix} 0\\ v_\text{a} \end{pmatrix} \end{aligned} \right.

ケプラーの第二法則より,天体 A\text{A} の位置ベクトル r\boldsymbol{r} とその速度ベクトル drdt\dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{r}}{\mathrm{d}t} につき,面積速度は

12∣r×drdt∣=const.\dfrac{1}{2} \left|\boldsymbol{r} \times \dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{r}}{\mathrm{d}t}\right| = \text{const.}

左辺を CC とおくと,近日点において

rp×drpdt=(rp00)×(0vp0)=(0⋅0−0⋅vp0⋅0−rp⋅0rp⋅vp−0⋅0)=(00rpvp)\begin{aligned} \boldsymbol{r}_\text{p} \times \dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{r}_\text{p}}{\mathrm{d}t} &= \begin{pmatrix} r_\text{p} \\ 0 \\ 0 \end{pmatrix} \times \begin{pmatrix} 0 \\ v_\text{p} \\ 0 \end{pmatrix} \\ &= \begin{pmatrix} 0 \cdot 0 - 0 \cdot v_\text{p} \\ 0 \cdot 0 - r_\text{p} \cdot 0 \\ r_\text{p} \cdot v_\text{p} - 0 \cdot 0 \end{pmatrix} \\ &= \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ r_\text{p} v_\text{p} \end{pmatrix} \end{aligned}

同様に遠日点においても

ra×dradt=(00rava)\begin{aligned} \boldsymbol{r}_\text{a} \times \dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{r}_\text{a}}{\mathrm{d}t} = \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ r_\text{a} v_\text{a} \end{pmatrix} \end{aligned}

であるから

12∣rp×drpdt∣=12∣ra×dradt∣=C12rpvp=12rava=C\dfrac{1}{2} \left| \boldsymbol{r}_\text{p} \times \dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{r}_\text{p}}{\mathrm{d}t} \right| =\dfrac{1}{2} \left| \boldsymbol{r}_\text{a} \times \dfrac{\mathrm{d}\boldsymbol{r}_\text{a}}{\mathrm{d}t} \right| = C\\ \dfrac{1}{2} r_\text{p} v_\text{p} =\dfrac{1}{2} r_\text{a} v_\text{a} = C

したがって,速さ vp,va{v_\text{p}}, {v_\text{a}} は rp=a(1−e)r_{\text{p}} = a(1 - e),ra=a(1+e)r_\text{a} = a(1 + e) を用いてそれぞれ

{vp=2Crp=2Ca(1−e)va=2Cra=2Ca(1+e)\left\{ \begin{aligned} {v_\text{p}} &= \dfrac{2C}{r_\text{p}} = \dfrac{2C}{a(1 - e)}\\[10pt] {v_\text{a}} &= \dfrac{2C}{r_\text{a}} = \dfrac{2C}{a(1 + e)} \end{aligned} \right.

次に,中心天体 C\text{C} の質量を MM,天体 A\text{A} の質量を mm,万有引力定数を GG とする。天体 A\text{A} にはたらく力は中心天体 C\text{C} からの万有引力のみであり,これは保存力であるから力学的エネルギー保存則が成り立つから

12mvp2−GMmrp=12mva2−GMmra12(vp2−va2)=GM(1rp−1ra)\begin{aligned} \dfrac{1}{2} m {v_\text{p}}^2 - G\dfrac{Mm}{r_{\text{p}}} = \dfrac{1}{2} m {v_\text{a}}^2 - G\dfrac{Mm}{r_\text{a}}\\ \dfrac{1}{2}({v_\text{p}}^2 - {v_\text{a}}^2) = GM \left( \dfrac{1}{r_{\text{p}}} - \dfrac{1}{r_\text{a}} \right) \end{aligned}

vp=2Ca(1−e){v_\text{p}} = \dfrac{2C}{a(1 - e)},va=2Ca(1+e){v_\text{a}} = \dfrac{2C}{a(1 + e)},rp=a(1−e)r_{\text{p}} = a(1 - e),ra=a(1+e)r_\text{a} = a(1 + e) より

12{4C2a2(1−e)2−4C2a2(1+e)2}=GM{1a(1−e)−1a(1+e)}2C2a2(1+e)2−(1−e)2(1−e2)2=GMa(1+e)−(1−e)1−e28C2ea2(1−e2)2=2GMea(1−e2)\begin{aligned} \dfrac{1}{2} \left\{ \dfrac{4C^2}{a^2(1 - e)^2} - \dfrac{4C^2}{a^2(1 + e)^2} \right\} &= GM \left\{ \dfrac{1}{a(1 - e)} - \dfrac{1}{a(1 + e)} \right\}\\ \dfrac{2C^2}{a^2} \dfrac{(1 + e)^2 - (1 - e)^2}{\left(1 - e^2\right)^2}&=\dfrac{GM}{a} \dfrac{(1 + e) - (1 - e)}{1 - e^2} \\ \dfrac{8C^2 e}{a^2\left(1 - e^2\right)^2}&=\dfrac{2GMe}{a(1 - e^2)} \end{aligned}

[11] e≠0e \neq 0 のとき

両辺を 2ea(1−e2)\dfrac{2e}{a(1 - e^2)} で割って整理すると,C>0C>0 より

C2=GM4a(1−e2)C=12GMa(1−e2)\begin{aligned} C^2 &= \dfrac{GM}{4} a(1 - e^2)\\ C &= \dfrac{1}{2}\displaystyle\sqrt{GMa(1 - e^2)} \end{aligned}

[22] e=0e = 0 のとき

e=0e=0 すなわち離心率が 00 のとき,天体 A\text{A} は等速円運動する。天体 A\text{A} の質量 mm,軌道半径 aa,速さ vv,中心天体 C\text{C} に対して万有引力定数 GG を用いて

mv2a=GMma2v=GMa\begin{aligned} m \dfrac{v^2}{a} &= G \dfrac{Mm}{a^2}\\ v &= \displaystyle\sqrt{\dfrac{GM}{a}} \end{aligned}

第二法則より

C=12rv=12aGMa=12GMa\begin{aligned} C &= \dfrac{1}{2} r v\\ &= \dfrac{1}{2} a \displaystyle\sqrt{\dfrac{GM}{a}} \\ &= \dfrac{1}{2} \displaystyle\sqrt{GMa} \end{aligned}

これはe≠0e \neq 0 のときの面積速度 C=12GMa(1−e2)C = \dfrac{1}{2}\displaystyle\sqrt{GMa(1 - e^2)} に e=0e = 0 を代入した結果と同一である。

次に楕円軌道全体の面積 SS を求める。原点を O\mathrm{O} とし、偏角 θ\theta の位置ベクトルを r(θ)\boldsymbol{r}(\theta),微小角進んだ偏角 θ+Δθ\theta + \Delta\theta の位置ベクトルを r(θ+Δθ)\boldsymbol{r}(\theta + \Delta\theta) とする。なす角が Δθ\Delta\theta である 22 つのベクトル r(θ)\boldsymbol{r}(\theta) と r(θ+Δθ)\boldsymbol{r}(\theta + \Delta\theta) がつくる三角形の面積 ΔS\Delta S は三角比の面積に関する数学公式 S=12ahS=\dfrac{1}{2}ah より

ΔS=12∣r(θ)∣∣r(θ+Δθ)∣sin⁡(Δθ)=12r(θ) r(θ+Δθ)sin⁡(Δθ)\Delta S = \dfrac{1}{2} |\boldsymbol{r}(\theta)| |\boldsymbol{r}(\theta + \Delta\theta)| \sin(\Delta\theta) = \dfrac{1}{2} r(\theta) \, r(\theta + \Delta\theta) \sin(\Delta\theta)

両辺を 00 でない Δθ\Delta\theta で割って極限 Δθ→0\Delta\theta \to 0 をとると,極限に関する数学公式 lim⁡Δθ→0sin⁡(Δθ)Δθ=1\displaystyle\lim_{\Delta\theta \to 0} \dfrac{\sin(\Delta\theta)}{\Delta\theta} = 1 より

dSdθ=lim⁡Δθ→0ΔSΔθ=12lim⁡Δθ→0{r(θ) r(θ+Δθ)⋅sin⁡(Δθ)Δθ}=12r(θ)⋅r(θ)⋅1=12r(θ)2\begin{aligned} \dfrac{\mathrm{d}S}{\mathrm{d}\theta} &= \lim_{\Delta\theta \to 0} \dfrac{\Delta S}{\Delta\theta}\\ &= \dfrac{1}{2} \lim_{\Delta\theta \to 0} \left\{ r(\theta) \, r(\theta + \Delta\theta) \cdot \dfrac{\sin(\Delta\theta)}{\Delta\theta} \right\} \\[6pt] &= \dfrac{1}{2} r(\theta) \cdot r(\theta) \cdot 1 = \dfrac{1}{2} r(\theta)^2 \end{aligned}

変数を分離して両辺を積分して

∫0SdS=∫02π12r(θ)2dθS=∫02π12r(θ)2dθ\begin{aligned} \int_{0}^{S}\mathrm{d}S &= \int_{0}^{2\pi}\dfrac{1}{2} r(\theta)^2 \mathrm{d}\theta\\ S &= \int_{0}^{2\pi}\dfrac{1}{2} r(\theta)^2 \mathrm{d}\theta \end{aligned}

距離 r(θ)=a(1−e2)1+ecos⁡θr(\theta) = \dfrac{a(1 - e^2)}{1 + e\cos\theta} を代入すると,r(θ)r(\theta) は偶関数だから

S=a2(1−e2)2∫02πdθ2(1+ecos⁡θ)2=a2(1−e2)2∫0πdθ(1+ecos⁡θ)2\begin{aligned} S &= a^2 \left(1 - e^2\right)^2 \int_0^{2\pi} \dfrac{\mathrm{d}\theta}{2(1 + e\cos\theta)^2}\\ &= a^2 \left(1 - e^2\right)^2 \int_0^{\pi} \dfrac{\mathrm{d}\theta}{(1 + e\cos\theta)^2} \end{aligned}

積分部分につき次のように置換して求めることとする。新たに変数 EE を用いて cos⁡θ=cos⁡E−e1−ecos⁡E\cos\theta = \dfrac{\cos E - e}{1 - e\cos E} とおくと,θ\theta が 00 から π\pi に変化するとき EE も 00 から π\pi に変化するとすれば,右辺の分母について

1+ecos⁡θ=1+e(cos⁡E−e1−ecos⁡E)=1−e21−ecos⁡E\begin{aligned} 1 + e\cos\theta &= 1 + e \left( \dfrac{\cos E - e}{1 - e\cos E} \right) \\ &= \dfrac{1 - e^2}{1 - e\cos E} \end{aligned}

sin⁡2θ=1−cos⁡2θ\sin^2\theta = 1 - \cos^2\theta より

sin⁡θ=1−e2sin⁡E1−ecos⁡E\sin\theta = \dfrac{\displaystyle\sqrt{1 - e^2} \sin E}{1 - e\cos E}

cos⁡θ=cos⁡E−e1−ecos⁡E\cos\theta = \dfrac{\cos E - e}{1 - e\cos E} の両辺を微分して整理すると,まず左辺の微分について

d(cos⁡θ)=−sin⁡θ dθ\mathrm{d}(\cos\theta) = -\sin\theta \,\mathrm{d}\theta

右辺の微分について商の微分に関する数学公式 d(fg)=g df−f dgg2\mathrm{d}\left( \dfrac{f}{g} \right) = \dfrac{g\,\mathrm{d}f - f\,\mathrm{d}g}{g^2} を用いると

d(cos⁡E−e1−ecos⁡E)=(−sin⁡E)(1−ecos⁡E) dE−(cos⁡E−e)(esin⁡E) dE(1−ecos⁡E)2=(−sin⁡E+esin⁡Ecos⁡E−esin⁡Ecos⁡E+e2sin⁡E) dE(1−ecos⁡E)2=−(1−e2)sin⁡E(1−ecos⁡E)2 dEsin⁡θ dθ=(1−e2)sin⁡E(1−ecos⁡E)2 dE\begin{aligned} \mathrm{d}\left(\dfrac{\cos E - e}{1 - e\cos E}\right) &= \dfrac{(-\sin E)(1 - e\cos E)\,\mathrm{d}E - (\cos E - e)(e\sin E)\,\mathrm{d}E}{(1 - e\cos E)^2} \\ &= \dfrac{\Big( -\sin E + e\sin E\cos E - e\sin E\cos E + e^2\sin E \Big)\,\mathrm{d}E}{(1 - e\cos E)^2} \\ &= -\dfrac{(1 - e^2)\sin E}{(1 - e\cos E)^2} \,\mathrm{d}E\\ \sin\theta \,\mathrm{d}\theta &= \dfrac{(1 - e^2)\sin E}{(1 - e\cos E)^2} \,\mathrm{d}E \end{aligned}

ここで左辺を EE を用いて表すことを考える。数学公式 sin⁡2θ=1−cos⁡2θ\sin^2\theta = 1 - \cos^2\theta を用いると cos⁡θ=cos⁡E−e1−ecos⁡E\cos\theta = \dfrac{\cos E - e}{1 - e\cos E} を代入して

sin⁡2θ=1−(cos⁡E−e1−ecos⁡E)2=(1−ecos⁡E)2−(cos⁡E−e)2(1−ecos⁡E)2=(1−2ecos⁡E+e2cos⁡2E)−(cos⁡2E−2ecos⁡E+e2)(1−ecos⁡E)2=1−e2−cos⁡2E+e2cos⁡2E(1−ecos⁡E)2=(1−e2)−cos⁡2E(1−e2)(1−ecos⁡E)2=(1−e2)(1−cos⁡2E)(1−ecos⁡E)2=(1−e2)sin⁡2E(1−ecos⁡E)2\begin{aligned} \sin^2\theta &= 1 - \left(\dfrac{\cos E - e}{1 - e\cos E}\right)^2 \\ &= \dfrac{(1 - e\cos E)^2 - (\cos E - e)^2}{(1 - e\cos E)^2}\\ &= \dfrac{(1 - 2e\cos E + e^2\cos^2 E) - (\cos^2 E - 2e\cos E + e^2)}{(1 - e\cos E)^2}\\ &= \dfrac{1 - e^2 - \cos^2 E + e^2\cos^2 E}{(1 - e\cos E)^2}\\ &= \dfrac{(1 - e^2) - \cos^2 E(1 - e^2)}{(1 - e\cos E)^2}\\ &= \dfrac{(1 - e^2)(1 - \cos^2 E)}{(1 - e\cos E)^2}\\ &= \dfrac{(1 - e^2)\sin^2 E}{(1 - e\cos E)^2}\\ \end{aligned}

0≤θ≤π0 \le \theta \le \pi,0≤E≤π0 \le E \le \pi において sin⁡θ≥0\sin\theta \ge 0,sin⁡E≥0\sin E \ge 0 であるから,第一法則の趣旨に基づいて 0<e<10 < e < 1 のもと正の平方根をとって

sin⁡θ=1−e2sin⁡E1−ecos⁡E\sin\theta = \dfrac{\displaystyle\sqrt{1 - e^2}\sin E}{1 - e\cos E}

これを sin⁡θ dθ=(1−e2)sin⁡E(1−ecos⁡E)2 dE\sin\theta \,\mathrm{d}\theta = \dfrac{(1 - e^2)\sin E}{(1 - e\cos E)^2} \,\mathrm{d}E の左辺に代入して

(1−e2sin⁡E1−ecos⁡E)dθ=(1−e2)sin⁡E(1−ecos⁡E)2 dEdθ=1−e21−e2⋅11−ecos⁡E dEdθ=1−e21−ecos⁡E dE\begin{aligned} \left(\dfrac{\displaystyle\sqrt{1 - e^2}\sin E}{1 - e\cos E}\right) \mathrm{d}\theta &= \dfrac{(1 - e^2)\sin E}{(1 - e\cos E)^2} \,\mathrm{d}E\\ \mathrm{d}\theta &= \dfrac{1 - e^2}{\displaystyle\sqrt{1 - e^2}} \cdot \dfrac{1}{1 - e\cos E} \,\mathrm{d}E\\ \mathrm{d}\theta &= \dfrac{\displaystyle\sqrt{1 - e^2}}{1 - e\cos E} \, \mathrm{d}E\\ \end{aligned}

したがって軌道楕円全体の面積 S=a2(1−e2)2∫0πdθ(1+ecos⁡θ)2\displaystyle S = a^2 \left(1 - e^2\right)^2 \int_0^{\pi} \dfrac{\mathrm{d}\theta}{(1 + e\cos\theta)^2} を cos⁡θ=cos⁡E−e1−ecos⁡E\cos\theta = \dfrac{\cos E - e}{1 - e\cos E} および dθ=1−e21−ecos⁡E dE\mathrm{d}\theta = \dfrac{\displaystyle\sqrt{1 - e^2}}{1 - e\cos E} \, \mathrm{d}E で置換すると,積分区間は θ\theta が 00 から π\pi まで変化するとき EE は 00 から π\pi まで変化するから

S=a2(1−e2)2∫0π(1−ecos⁡E1−e2)2(1−e21−ecos⁡E dE)=a21−e2∫0π(1−ecos⁡E) dE=a21−e2[E−esin⁡E]0π=πa21−e2\begin{aligned} S &= a^2 \left(1 - e^2\right)^2 \int_0^\pi \left( \dfrac{1 - e\cos E}{1 - e^2} \right)^2 \left( \dfrac{\displaystyle\sqrt{1 - e^2}}{1 - e\cos E} \, \mathrm{d}E \right) \\[10pt] &= a^2 \displaystyle\sqrt{1 - e^2} \int_0^\pi (1 - e\cos E) \, \mathrm{d}E\\ &= a^2 \displaystyle\sqrt{1 - e^2}\Big[ E - e\sin E \Big]_0^\pi\\ &= \pi a^2 \displaystyle\sqrt{1 - e^2} \end{aligned}

一方,第二法則より天体 A\text{A} の面積速度 CC は時間によらず一定であるから,公転周期 TT の間に動径が掃過する面積は楕円の全面積 SS に等しく

S=∫0TC dt=CTS = \int_0^T C \, \mathrm{d}t = CT

したがって公転周期 TT は,面積速度 C=12GMa(1−e2)C = \dfrac{1}{2}\displaystyle\sqrt{GMa(1 - e^2)} および楕円の面積 S=πa21−e2S=\pi a^2 \displaystyle \displaystyle\sqrt{1 - e^2} を用いて

T=SC=πa21−e212GMa(1−e2)=2πGMa3/2T2=4π2GMa3\begin{aligned} T &= \dfrac{S}{C} \\[6pt] &= \dfrac{\pi a^2 \displaystyle\sqrt{1 - e^2}}{\dfrac{1}{2}\displaystyle\sqrt{GMa(1 - e^2)}} \\[10pt] &= \dfrac{2\pi}{\displaystyle\sqrt{GM}} a^{3/2}\\ T^2 &= \dfrac{4\pi^2}{GM} a^3 \end{aligned}

両辺を a3a^3 で割って整理すると

T2a3=4π2GM=const.\dfrac{T^2}{a^3} = \dfrac{4\pi^2}{GM} = \text{const.}
説明
第一法則
導出1

u=1ru = \dfrac{1}{r} などとおくビネ方程式を用いて 22 階常微分方程式を解く手法が一般的だが,本稿では導出 11 のように外積と離心率ベクトル e\boldsymbol{e}(いわゆるルンゲ・レンツ・ベクトル)を用いた手法を採用した。

ビネ方程式を用いる手法は,仮に万有引力が距離 rr の 22 乗に反比例していなかった場合の検証等で非常に簡便である。一方解法の一部が天下り的であることなどのデメリットもあり,ベクトルを用いると空間的な理解が容易であること,離心率ベクトルをよく意識できること,ミランコビッチ・サイクル,水星の近日点移動,ホーマン遷移やスイングバイといった重要分野の把握が容易になることなどのメリットが大きい。

導出2

この導出方法は計算負荷が高いうえ,常微分方程式の極大解の一意性定理について次のように補足が必要であり,この議論を避ける目的でも導出1がより簡便といえる。

天体 A\text{A} にはたらく万有引力 F\boldsymbol{F} は r>0r>0 において滑らかであり,天体 A\text{A} の運動方程式においては,初期位置と初期速度が定まればその後の運動は r>0r>0 の範囲においてただ 11 通りにしか決まらない(常微分方程式の極大解の一意性定理)ので,関数 z(t)z(t) について初期条件を満たす解はこれ以外に存在しない。

初期条件 z(0)=0,dzdt∣t=0=0z(0)=0, \left.\dfrac{\mathrm{d}z}{\mathrm{d}t}\right|_{t=0}=0 に対し,z(t)=0z(t)=0 が方程式を満たすことは代入によって確かめられる。しかし,十分な時間が経過したある時刻 t=Tt = T において z≠0z \neq 0 などとなるような,平面の外へと飛び出していくような別の解が存在することがないことは,厳密には別途検討しなければならない。その趣旨は次のとおりである。

すなわち,天体 A\text{A} の 33 次元運動方程式は位置ベクトル r=(x,y,z)\boldsymbol{r} = (x, y, z) に関する自律系の連立常微分方程式である。

d2rdt2=−GM∣r∣3r\dfrac{\mathrm{d}^2\boldsymbol{r}}{\mathrm{d}t^2} = -\dfrac{GM}{|\boldsymbol{r}|^3}\boldsymbol{r}

中心天体との衝突点(原点 ∣r∣=0|\boldsymbol{r}|=0)を除けば,右辺の万有引力は位置座標に関して無限回微分可能であり,局所的にリプシッツ連続性を満たす。このとき,初期値周りの限られた範囲で解は一つしか存在しない(ここまでコーシー・ピカールの定理)。

しかし,コーシー・ピカールの定理はごく一部での一意性を保証するに過ぎない。そこで,数学では得られた局所解を時間軸の先へと次々に接続していく解の延長を行う。

微分方程式においては解の延長定理により,滑らかな方程式の解は,これ以上延長できない最大の開区間 I=(T−,T+)I = (T_-, T_+) まで一意性を保ったまま伸ばすことができる。この最大の定義域で定義された解を極大解という。

これによれば,解が有限時間 T+T_+ で途切れ,これ以上未来へ延長できなくなれば,すなわち,天体の位置が定義域の境界に達するような特殊な場合まで延長すれば,この範囲で解の一意性が保証される。しかしこれは天体が中心天体に正面衝突するなどのケプラーの第一法則がそもそも検討していない状況をいうものであり,時間にしても距離にしてもこの特殊な状況を除けば滑らかに変化する量であるから,その範囲においては無限大に延長することができる。したがって r>0r>0 の範囲では常微分方程式の極大解の一意性定理によって解は一つしかないことが示される。

第二法則

実際に導出する手順としては第二法則から第一法則を導出する方が重複もなく,歴史的に示された本来の論理の流れと合致する。現に 第一法則 の導出2ですでに次のように示されており,第一法則を先に導出した場合にはここから直ちに第二法則を導くこともできる。

角運動量ベクトル L\boldsymbol{L} の大きさを LL とすると

L=mr2dθdtdθdt=Lmr2\begin{aligned} L &= m r^2 \dfrac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}\\ \dfrac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t} &= \dfrac{L}{mr^2} \end{aligned}

逆に,第二法則の導出の通り LL の大きさを求めてから,第一法則 の 導出2 の続き,力学的エネルギー保存の法則を用いた導出に進むのが,より整合的である。

惑星の位置関係

3次元極座標系

公式

原点を O\mathrm{O} とする xyzxyz 座標系において,xx,yy,zz 軸と平行な単位ベクトルをそれぞれ ex\boldsymbol{e}_x,ey\boldsymbol{e}_y,ez\boldsymbol{e}_z とする。xyzxyz 座標系上の位置 (x,y,z)(x, y, z) にある物体の位置ベクトルを r\boldsymbol{r},原点 O\mathrm{O} からの距離を rr,原点と物体を結んだ線分と xyxy 平面がなす仰角を θ\theta,物体から xyxy 平面に下ろした垂線の足と原点を結んだ線分と xx 軸がなす方位角を ϕ\phi としたとき,rr,θ\theta,ϕ\phi のうちいずれか一方向のみを増す方向の単位ベクトル er\boldsymbol{e}_r,eθ\boldsymbol{e}_\theta,eϕ\boldsymbol{e}_\phi は,xyzxyz 座標系における単位ベクトル ex\boldsymbol{e}_x,ey\boldsymbol{e}_y,ez\boldsymbol{e}_z を用いて次のように表す。

{er=cos⁡θcos⁡ϕex+cos⁡θsin⁡ϕey+sin⁡θezeθ=−sin⁡θcos⁡ϕex−sin⁡θsin⁡ϕey+cos⁡θezeϕ=−sin⁡ϕex+cos⁡ϕey\begin{cases} \boldsymbol{e}_r = \cos\theta\cos\phi \boldsymbol{e}_x + \cos\theta\sin\phi \boldsymbol{e}_y + \sin\theta \boldsymbol{e}_z \\ \boldsymbol{e}_\theta = -\sin\theta\cos\phi \boldsymbol{e}_x - \sin\theta\sin\phi \boldsymbol{e}_y + \cos\theta \boldsymbol{e}_z \\ \boldsymbol{e}_\phi = -\sin\phi \boldsymbol{e}_x + \cos\phi \boldsymbol{e}_y \end{cases}
導出
導出1

まず,原点から物体へ向かう向きを正とする径方向の単位ベクトル er\boldsymbol{e}_r を考える。仰角を θ\theta とし,er\boldsymbol{e}_r を xyxy 平面および zz 軸へ射影すると,三角関数の定義より xyxy 平面上の長さは cos⁡θ\cos\theta,zz 成分は sin⁡θ\sin\theta となる。さらに前者を xx 軸,yy 軸へ射影すると,それぞれ cos⁡θcos⁡ϕ\cos\theta\cos\phi および cos⁡θsin⁡ϕ\cos\theta\sin\phi となるから

er=cos⁡θcos⁡ϕex+cos⁡θsin⁡ϕey+sin⁡θez\boldsymbol{e}_r = \cos\theta\cos\phi \boldsymbol{e}_x + \cos\theta\sin\phi \boldsymbol{e}_y + \sin\theta \boldsymbol{e}_z

次に,仰角 θ\theta 方向の単位ベクトル eθ\boldsymbol{e}_\theta を考える。これは er\boldsymbol{e}_r と同じ垂直面内にあり,仰角が増加する向き(上向き)をとるため,θ\theta を θ+π2\theta + \dfrac{\pi}{2} に置き換えたものに相当する。したがって,①式の θ\theta を置換し,三角関数の性質を用いることで得られる。

eθ=cos⁡(θ+π2)cos⁡ϕex+cos⁡(θ+π2)sin⁡ϕey+sin⁡(θ+π2)ez=−sin⁡θcos⁡ϕex−sin⁡θsin⁡ϕey+cos⁡θez\begin{aligned} \boldsymbol{e}_\theta &= \cos\left(\theta + \dfrac{\pi}{2}\right)\cos\phi \boldsymbol{e}_x + \cos\left(\theta + \dfrac{\pi}{2}\right)\sin\phi \boldsymbol{e}_y + \sin\left(\theta + \dfrac{\pi}{2}\right) \boldsymbol{e}_z \\ &= -\sin\theta\cos\phi \boldsymbol{e}_x - \sin\theta\sin\phi \boldsymbol{e}_y + \cos\theta \boldsymbol{e}_z \end{aligned}

最後に,ϕ\phi 方向の単位ベクトル eϕ\boldsymbol{e}_\phi は,xyxy 平面内において方位角 ϕ\phi が増加する向き(反時計回り)の単位ベクトルである。これは zz 成分を持たず,2次元極座標の円周方向単位ベクトルと同様の形式となる。

eϕ=−sin⁡ϕex+cos⁡ϕey\boldsymbol{e}_\phi = -\sin\phi \boldsymbol{e}_x + \cos\phi \boldsymbol{e}_y
導出2

位置ベクトル r\boldsymbol{r} をデカルト座標の成分表示で表すと,仰角 θ\theta を用いた幾何学的な関係より

r=rcos⁡θcos⁡ϕex+rcos⁡θsin⁡ϕey+rsin⁡θez\boldsymbol{r} = r\cos\theta\cos\phi \boldsymbol{e}_x + r\cos\theta\sin\phi \boldsymbol{e}_y + r\sin\theta \boldsymbol{e}_z

この位置ベクトル r\boldsymbol{r} を,各変数 r,θ,ϕr, \theta, \phi で偏微分し,それぞれの変化率を調べる。

∂r∂r=cos⁡θcos⁡ϕex+cos⁡θsin⁡ϕey+sin⁡θez∂r∂θ=−rsin⁡θcos⁡ϕex−rsin⁡θsin⁡ϕey+rcos⁡θez∂r∂ϕ=−rcos⁡θsin⁡ϕex+rcos⁡θcos⁡ϕey\begin{aligned} \dfrac{\partial \boldsymbol{r}}{\partial r} &= \cos\theta\cos\phi \boldsymbol{e}_x + \cos\theta\sin\phi \boldsymbol{e}_y + \sin\theta \boldsymbol{e}_z \\[8pt] \dfrac{\partial \boldsymbol{r}}{\partial \theta} &= -r\sin\theta\cos\phi \boldsymbol{e}_x - r\sin\theta\sin\phi \boldsymbol{e}_y + r\cos\theta \boldsymbol{e}_z \\[8pt] \dfrac{\partial \boldsymbol{r}}{\partial \phi} &= -r\cos\theta\sin\phi \boldsymbol{e}_x + r\cos\theta\cos\phi \boldsymbol{e}_y \end{aligned}

ここで,それぞれのベクトルの大きさ(スケール因子)を三角関数の基本恒等式 cos⁡2α+sin⁡2α=1\cos^2\alpha + \sin^2\alpha = 1 を用いて計算する。

∣∂r∂r∣=(cos⁡θcos⁡ϕ)2+(cos⁡θsin⁡ϕ)2+sin⁡2θ=cos⁡2θ(cos⁡2ϕ+sin⁡2ϕ)+sin⁡2θ=cos⁡2θ+sin⁡2θ=1∣∂r∂θ∣=(−rsin⁡θcos⁡ϕ)2+(−rsin⁡θsin⁡ϕ)2+(rcos⁡θ)2=r2sin⁡2θ(cos⁡2ϕ+sin⁡2ϕ)+r2cos⁡2θ=r2(sin⁡2θ+cos⁡2θ)=r∣∂r∂ϕ∣=(−rcos⁡θsin⁡ϕ)2+(rcos⁡θcos⁡ϕ)2=r2cos⁡2θ(sin⁡2ϕ+cos⁡2ϕ)=rcos⁡θ(−π2≤θ≤π2 より cos⁡θ≥0)\begin{aligned} \left| \dfrac{\partial \boldsymbol{r}}{\partial r} \right| &= \sqrt{(\cos\theta\cos\phi)^2 + (\cos\theta\sin\phi)^2 + \sin^2\theta} \\ &= \sqrt{\cos^2\theta(\cos^2\phi + \sin^2\phi) + \sin^2\theta} = \sqrt{\cos^2\theta + \sin^2\theta} = 1 \\[10pt] \left| \dfrac{\partial \boldsymbol{r}}{\partial \theta} \right| &= \sqrt{(-r\sin\theta\cos\phi)^2 + (-r\sin\theta\sin\phi)^2 + (r\cos\theta)^2} \\ &= \sqrt{r^2\sin^2\theta(\cos^2\phi + \sin^2\phi) + r^2\cos^2\theta} = \sqrt{r^2(\sin^2\theta + \cos^2\theta)} = r \\[10pt] \left| \dfrac{\partial \boldsymbol{r}}{\partial \phi} \right| &= \sqrt{(-r\cos\theta\sin\phi)^2 + (r\cos\theta\cos\phi)^2} \\ &= \sqrt{r^2\cos^2\theta(\sin^2\phi + \cos^2\phi)} = r\cos\theta \quad \left(-\dfrac{\pi}{2} \le \theta \le \dfrac{\pi}{2} \text{ より } \cos\theta \ge 0\right) \end{aligned}

各偏微分ベクトルをそれぞれの大きさで割って正規化することで,各方向の単位ベクトルが導かれる。

er=1∣∂r∂r∣∂r∂r=cos⁡θcos⁡ϕex+cos⁡θsin⁡ϕey+sin⁡θezeθ=1∣∂r∂θ∣∂r∂θ=1r∂r∂θ=−sin⁡θcos⁡ϕex−sin⁡θsin⁡ϕey+cos⁡θezeϕ=1∣∂r∂ϕ∣∂r∂ϕ=1rcos⁡θ∂r∂ϕ=−sin⁡ϕex+cos⁡ϕey\begin{aligned} \boldsymbol{e}_r &= \dfrac{1}{\left| \dfrac{\partial \boldsymbol{r}}{\partial r} \right|} \dfrac{\partial \boldsymbol{r}}{\partial r} = \cos\theta\cos\phi \boldsymbol{e}_x + \cos\theta\sin\phi \boldsymbol{e}_y + \sin\theta \boldsymbol{e}_z \\[10pt] \boldsymbol{e}_\theta &= \dfrac{1}{\left| \dfrac{\partial \boldsymbol{r}}{\partial \theta} \right|} \dfrac{\partial \boldsymbol{r}}{\partial \theta} = \dfrac{1}{r} \dfrac{\partial \boldsymbol{r}}{\partial \theta} = -\sin\theta\cos\phi \boldsymbol{e}_x - \sin\theta\sin\phi \boldsymbol{e}_y + \cos\theta \boldsymbol{e}_z \\[10pt] \boldsymbol{e}_\phi &= \dfrac{1}{\left| \dfrac{\partial \boldsymbol{r}}{\partial \phi} \right|} \dfrac{\partial \boldsymbol{r}}{\partial \phi} = \dfrac{1}{r\cos\theta}\dfrac{\partial \boldsymbol{r}}{\partial \phi} = -\sin\phi \boldsymbol{e}_x + \cos\phi \boldsymbol{e}_y \end{aligned}

位置ベクトル r\boldsymbol{r} をデカルト座標の成分表示で表すと,仰角 θ\theta を用いた幾何学的な関係より

r=rcos⁡θcos⁡ϕex+rcos⁡θsin⁡ϕey+rsin⁡θez\boldsymbol{r} = r\cos\theta\cos\phi \boldsymbol{e}_x + r\cos\theta\sin\phi \boldsymbol{e}_y + r\sin\theta \boldsymbol{e}_z

この位置ベクトル r\boldsymbol{r} を,各変数 r,θ,ϕr, \theta, \phi で偏微分し,それぞれの変化率を調べる。

∂r∂r=cos⁡θcos⁡ϕex+cos⁡θsin⁡ϕey+sin⁡θez∂r∂θ=−rsin⁡θcos⁡ϕex−rsin⁡θsin⁡ϕey+rcos⁡θez∂r∂ϕ=−rcos⁡θsin⁡ϕex+rcos⁡θcos⁡ϕey\begin{aligned} \dfrac{\partial \boldsymbol{r}}{\partial r} &= \cos\theta\cos\phi \boldsymbol{e}_x + \cos\theta\sin\phi \boldsymbol{e}_y + \sin\theta \boldsymbol{e}_z \\[8pt] \dfrac{\partial \boldsymbol{r}}{\partial \theta} &= -r\sin\theta\cos\phi \boldsymbol{e}_x - r\sin\theta\sin\phi \boldsymbol{e}_y + r\cos\theta \boldsymbol{e}_z \\[8pt] \dfrac{\partial \boldsymbol{r}}{\partial \phi} &= -r\cos\theta\sin\phi \boldsymbol{e}_x + r\cos\theta\cos\phi \boldsymbol{e}_y \end{aligned}

ここで,それぞれのベクトルの大きさ(スケール因子)を三角関数の基本恒等式 cos⁡2α+sin⁡2α=1\cos^2\alpha + \sin^2\alpha = 1 を用いて計算する。

∣∂r∂r∣=(cos⁡θcos⁡ϕ)2+(cos⁡θsin⁡ϕ)2+sin⁡2θ=cos⁡2θ(cos⁡2ϕ+sin⁡2ϕ)+sin⁡2θ=cos⁡2θ+sin⁡2θ=1∣∂r∂θ∣=(−rsin⁡θcos⁡ϕ)2+(−rsin⁡θsin⁡ϕ)2+(rcos⁡θ)2=r2sin⁡2θ(cos⁡2ϕ+sin⁡2ϕ)+r2cos⁡2θ=r2(sin⁡2θ+cos⁡2θ)=r∣∂r∂ϕ∣=(−rcos⁡θsin⁡ϕ)2+(rcos⁡θcos⁡ϕ)2=r2cos⁡2θ(sin⁡2ϕ+cos⁡2ϕ)=rcos⁡θ(−π2≤θ≤π2 より cos⁡θ≥0)\begin{aligned} \left| \dfrac{\partial \boldsymbol{r}}{\partial r} \right| &= \sqrt{(\cos\theta\cos\phi)^2 + (\cos\theta\sin\phi)^2 + \sin^2\theta} \\ &= \sqrt{\cos^2\theta(\cos^2\phi + \sin^2\phi) + \sin^2\theta} = \sqrt{\cos^2\theta + \sin^2\theta} = 1 \\[10pt] \left| \dfrac{\partial \boldsymbol{r}}{\partial \theta} \right| &= \sqrt{(-r\sin\theta\cos\phi)^2 + (-r\sin\theta\sin\phi)^2 + (r\cos\theta)^2} \\ &= \sqrt{r^2\sin^2\theta(\cos^2\phi + \sin^2\phi) + r^2\cos^2\theta} = \sqrt{r^2(\sin^2\theta + \cos^2\theta)} = r \\[10pt] \left| \dfrac{\partial \boldsymbol{r}}{\partial \phi} \right| &= \sqrt{(-r\cos\theta\sin\phi)^2 + (r\cos\theta\cos\phi)^2} \\ &= \sqrt{r^2\cos^2\theta(\sin^2\phi + \cos^2\phi)} = r\cos\theta \quad \left(-\dfrac{\pi}{2} \le \theta \le \dfrac{\pi}{2} \text{ より } \cos\theta \ge 0\right) \end{aligned}

各偏微分ベクトルをそれぞれの大きさで割って正規化することで,各方向の単位ベクトルが導かれる。

er=1∣∂r∂r∣∂r∂r=cos⁡θcos⁡ϕex+cos⁡θsin⁡ϕey+sin⁡θezeθ=1∣∂r∂θ∣∂r∂θ=1r∂r∂θ=−sin⁡θcos⁡ϕex−sin⁡θsin⁡ϕey+cos⁡θezeϕ=1∣∂r∂ϕ∣∂r∂ϕ=1rcos⁡θ∂r∂ϕ=−sin⁡ϕex+cos⁡ϕey\begin{aligned} \boldsymbol{e}_r &= \dfrac{1}{\left| \dfrac{\partial \boldsymbol{r}}{\partial r} \right|} \dfrac{\partial \boldsymbol{r}}{\partial r} = \cos\theta\cos\phi \boldsymbol{e}_x + \cos\theta\sin\phi \boldsymbol{e}_y + \sin\theta \boldsymbol{e}_z \\[10pt] \boldsymbol{e}_\theta &= \dfrac{1}{\left| \dfrac{\partial \boldsymbol{r}}{\partial \theta} \right|} \dfrac{\partial \boldsymbol{r}}{\partial \theta} = \dfrac{1}{r} \dfrac{\partial \boldsymbol{r}}{\partial \theta} = -\sin\theta\cos\phi \boldsymbol{e}_x - \sin\theta\sin\phi \boldsymbol{e}_y + \cos\theta \boldsymbol{e}_z \\[10pt] \boldsymbol{e}_\phi &= \dfrac{1}{\left| \dfrac{\partial \boldsymbol{r}}{\partial \phi} \right|} \dfrac{\partial \boldsymbol{r}}{\partial \phi} = \dfrac{1}{r\cos\theta}\dfrac{\partial \boldsymbol{r}}{\partial \phi} = -\sin\phi \boldsymbol{e}_x + \cos\phi \boldsymbol{e}_y \end{aligned}
説明

三次元空間においては体の位置を特定するためには最低 33 つの変数が必要であり,デカルト座標 (x,y,z)(x, y, z) に対し,球座標では (r,θ,ϕ)(r, \theta, \phi) がその自由度を担う。

座標系

定義

原点が O\mathrm{O} である xyzxyz 座標系を考え,位置 (x,y,z)(x, y, z) にある点の位置ベクトルを r\boldsymbol{r},原点 O\mathrm{O} からの距離を r=∣r∣r = |\boldsymbol{r}| とする。

日心黄道座標系

太陽の中心を原点 O\mathrm{O} にとり,太陽から見て春分点の方向を xx 軸方向,黄道面内で xx 軸から反時計回りに 90∘90^\circ 回転させた向きを yy 軸方向,黄道面に垂直で,地球の公転の角運動量ベクトルと同じ向きを zz 軸方向とし,黄道面からの仰角すなわち日心黄緯を bb,春分点から東向きに測る角すなわち日心黄経を ll とするとき,日心黄道座標系における任意の点の位置ベクトル r\boldsymbol{r} は次のように表される。

r=(rcos⁡bcos⁡lrcos⁡bsin⁡lrsin⁡b)\boldsymbol{r} = \begin{pmatrix} r \cos b \cos l \\ r \cos b \sin l \\ r \sin b \end{pmatrix}
日心赤道座標系

太陽の中心を原点 O\mathrm{O} にとり,太陽から見て春分点の方向を xx 軸方向,地球の赤道面と平行な面内で xx 軸から反時計回りに 90∘90^\circ 回転させた向きを yy 軸方向,地球の自転軸と平行で,地球の自転の角運動量ベクトルと同じ向きを zz 軸方向とし,赤道面からの仰角すなわち日心赤緯を δ\delta,春分点から東向きに測る角すなわち日心赤経を α\alpha とするとき,日心赤道座標系における任意の点の位置ベクトル r\boldsymbol{r} は次のように表される。

r=(rcos⁡δcos⁡αrcos⁡δsin⁡αrsin⁡δ)\boldsymbol{r} = \begin{pmatrix} r \cos \delta \cos \alpha \\ r \cos \delta \sin \alpha \\ r \sin \delta \end{pmatrix}
国際天球基準系

太陽系の重心を原点 O\mathrm{O} にとり,標準元期 J2000.0 における春分点の方向を xx 軸方向,天の赤道面内で xx 軸から反時計回りに 90∘90^\circ 回転させた向きを yy 軸方向,標準元期 J2000.0 における地球の自転軸の向きを zz 軸方向とし,基準赤道面からの仰角すなわち赤緯を δ\delta,基準方向から東向きに測る角すなわち赤経を α\alpha とするとき,国際天球基準系(ICRS)における任意の点の位置ベクトル r\boldsymbol{r} は次のように表される。

r=(rcos⁡δcos⁡αrcos⁡δsin⁡αrsin⁡δ)\boldsymbol{r} = \begin{pmatrix} r \cos \delta \cos \alpha \\ r \cos \delta \sin \alpha \\ r \sin \delta \end{pmatrix}
地心黄道座標系

地球の中心を原点 O\mathrm{O} にとり,地球から見て春分点の方向を xx 軸方向,黄道面内で xx 軸から反時計回りに 90∘90^\circ 回転させた向きを yy 軸方向,黄道面に垂直で,地球の公転の角運動量ベクトルと同じ向きを zz 軸方向とし,黄道面からの仰角すなわち視黄緯を β\beta,春分点から東向きに測る角すなわち視黄経を λ\lambda とするとき,地心黄道座標系における任意の点の位置ベクトル r\boldsymbol{r} は次のように表される。

r=(rcos⁡βcos⁡λrcos⁡βsin⁡λrsin⁡β)\boldsymbol{r} = \begin{pmatrix} r \cos \beta \cos \lambda \\ r \cos \beta \sin \lambda \\ r \sin \beta \end{pmatrix}
国際地球基準系

地球全体の重心を原点 O\mathrm{O} にとり,IERS基準子午線と地球の赤道面が交わる方向を xx 軸方向,地球の赤道面内で xx 軸から東向きに 90∘90^\circ 回転させた向きを yy 軸方向,地球の平均自転軸の向きを zz 軸方向とし,地球の赤道面からの仰角すなわち地心緯度を φ\varphi,IERS基準子午線から東向きに測る角すなわち東経を λ\lambda とするとき,国際地球基準系(ITRS)における任意の点の位置ベクトル r\boldsymbol{r} は次のように表される。

r=(rcos⁡φcos⁡λrcos⁡φsin⁡λrsin⁡φ)\boldsymbol{r} = \begin{pmatrix} r \cos \varphi \cos \lambda \\ r \cos \varphi \sin \lambda \\ r \sin \varphi \end{pmatrix}
説明

いずれも 33 次元極座標系とは次のような対応である。

座標系原点 O\mathrm{O}xyxy 平面zz 軸方向xx 軸方向距離 rr仰角 θ\theta方位角 ϕ\phi
日心黄道座標系太陽の中心黄道面黄道北極春分点方向日心距離 rr日心黄緯 bb日心黄経 ll
日心赤道座標系太陽の中心天の赤道面天の北極春分点方向日心距離 rr日心赤緯 δ\delta日心赤経 α\alpha
国際天球基準系 (ICRS)太陽系重心J2000.0 基準赤道面J2000.0 基準自転軸J2000.0 春分点方向重心距離 rr赤緯 δ\delta赤経 α\alpha
地心黄道座標系地球の中心黄道面黄道北極春分点方向地心距離 ρ\rho視黄緯 β\beta視黄経 λ\lambda
国際地球基準系 (ITRS)地球の重心地球の赤道面地球の平均自転軸IERS基準子午線 (IRM)地心距離 rr地心緯度 φ\varphi東経 λ\lambda

座標系の変換

定義
日心黄道座標系と地心黄道座標系の関係

日心黄道座標系における惑星の球面座標を (rP,lP,bP)(r_\text{P}, l_\text{P}, b_\text{P}),地球の座標を (rE,lE,0)(r_\text{E}, l_\text{E}, 0) とし,地心黄道座標系における惑星の球面座標を (ρ,λ,β)(\rho, \lambda, \beta) とすると,これらの座標系の間では変換は可逆であり,この変換は次のを満たすことと同値である。

{ρcos⁡βcos⁡λ=rPcos⁡bPcos⁡lP−rEcos⁡lEρcos⁡βsin⁡λ=rPcos⁡bPsin⁡lP−rEsin⁡lEρsin⁡β=rPsin⁡bP\begin{cases} \rho \cos\beta \cos\lambda = r_\text{P} \cos b_\text{P} \cos l_\text{P} - r_\text{E} \cos l_\text{E} \\[6pt] \rho \cos\beta \sin\lambda = r_\text{P} \cos b_\text{P} \sin l_\text{P} - r_\text{E} \sin l_\text{E} \\[6pt] \rho \sin\beta = r_\text{P} \sin b_\text{P} \end{cases}
黄道座標系と赤道座標系の関係

黄道座標系における天体の球面座標を (r,λ,β)(r, \lambda, \beta),赤道座標系における天体の球面座標を (r,α,δ)(r, \alpha, \delta) とし,黄道傾斜角(地軸の傾き)を ε\varepsilon とすると,これらの座標系の間では変換は可逆であり,この変換は次を満たすことと同値である。

{rcos⁡δcos⁡α=rcos⁡βcos⁡λrcos⁡δsin⁡α=rcos⁡βsin⁡λcos⁡ε−rsin⁡βsin⁡εrsin⁡δ=rcos⁡βsin⁡λsin⁡ε+rsin⁡βcos⁡ε\begin{cases} r \cos\delta \cos\alpha = r \cos\beta \cos\lambda \\[6pt] r \cos\delta \sin\alpha = r \cos\beta \sin\lambda \cos\varepsilon - r \sin\beta \sin\varepsilon \\[6pt] r \sin\delta = r \cos\beta \sin\lambda \sin\varepsilon + r \sin\beta \cos\varepsilon \end{cases}
国際天球基準系と国際地球基準系の関係

国際天球基準系(ICRS)における天体の球面座標を (r,α,δ)(r, \alpha, \delta),国際地球基準系(ITRS)における地球上の球面座標を (r,λ,φ)(r, \lambda, \varphi) とし,地球の自転角を表すグリニッジ恒星時を θGST\theta_\text{GST} とすると,これらの座標系の間では変換は可逆であり,この変換は次を満たすことと同値である。

{rcos⁡φcos⁡λ=rcos⁡δcos⁡αcos⁡θGST+rcos⁡δsin⁡αsin⁡θGSTrcos⁡φsin⁡λ=−rcos⁡δcos⁡αsin⁡θGST+rcos⁡δsin⁡αcos⁡θGSTrsin⁡φ=rsin⁡δ\begin{cases} r \cos\varphi \cos\lambda = r \cos\delta \cos\alpha \cos\theta_\text{GST} + r \cos\delta \sin\alpha \sin\theta_\text{GST} \\[6pt] r \cos\varphi \sin\lambda = -r \cos\delta \cos\alpha \sin\theta_\text{GST} + r \cos\delta \sin\alpha \cos\theta_\text{GST} \\[6pt] r \sin\varphi = r \sin\delta \end{cases}
説明
日心黄道座標系と地心黄道座標系の関係

[11] 日心座標 (rP,lP,bP)⟶(r_\text{P}, l_\text{P}, b_\text{P}) \longrightarrow 地心座標 (ρ,λ,β)(\rho, \lambda, \beta) について

ケプラーの法則などから太陽中心での惑星と地球の位置が既知であるとき,地球から見た見かけの位置は基本方程式の右辺を (X,Y,Z)(X, Y, Z) とおくことで次のように一意に定まる。

(XYZ)≡(rPcos⁡bPcos⁡lP−rEcos⁡lErPcos⁡bPsin⁡lP−rEsin⁡lErPsin⁡bP)\begin{pmatrix} X \\ Y \\ Z \end{pmatrix} \equiv \begin{pmatrix} r_\text{P} \cos b_\text{P} \cos l_\text{P} - r_\text{E} \cos l_\text{E} \\ r_\text{P} \cos b_\text{P} \sin l_\text{P} - r_\text{E} \sin l_\text{E} \\ r_\text{P} \sin b_\text{P} \end{pmatrix}

このとき,地心の33 変数 (ρ,λ,β)(\rho, \lambda, \beta) は次のように求められる。

ρ=X2+Y2+Z2tan⁡λ=YXsin⁡β=Zρ=ZX2+Y2+Z2\begin{aligned} \rho &= \sqrt{X^2 + Y^2 + Z^2}\\ \tan\lambda &= \dfrac{Y}{X}\\ \sin\beta &= \dfrac{Z}{\rho} = \dfrac{Z}{\sqrt{X^2 + Y^2 + Z^2}} \end{aligned}

[22] 地心座標 (ρ,λ,β)⟶(\rho, \lambda, \beta) \longrightarrow 日心座標 (rP,lP,bP)(r_\text{P}, l_\text{P}, b_\text{P}) について

地球から観測した見かけの位置 (λ,β)(\lambda, \beta),地心距離 ρ\rho,および地球の日心位置 (rE,lE)(r_\text{E}, l_\text{E}) が既知であるとき,基本方程式を日心成分について解くことで,太陽中心の真の位置が一意に復元される。

(xPyPzP)≡(ρcos⁡βcos⁡λ+rEcos⁡lEρcos⁡βsin⁡λ+rEsin⁡lEρsin⁡β)\begin{pmatrix} x_\text{P} \\ y_\text{P} \\ z_\text{P} \end{pmatrix} \equiv \begin{pmatrix} \rho \cos\beta \cos\lambda + r_\text{E} \cos l_\text{E} \\ \rho \cos\beta \sin\lambda + r_\text{E} \sin l_\text{E} \\ \rho \sin\beta \end{pmatrix}

このとき,日心の33 変数 (rP,lP,bP)(r_\text{P}, l_\text{P}, b_\text{P}) は次のように求められる。

rP=xP2+yP2+zP2tan⁡lP=yPxPsin⁡bP=zPrP=zPxP2+yP2+zP2\begin{aligned} r_\text{P} &= \sqrt{{x_\text{P}}^2 + {y_\text{P}}^2 + {z_\text{P}}^2}\\ \tan l_\text{P} &= \dfrac{y_\text{P}}{x_\text{P}}\\ \sin b_\text{P} &= \dfrac{z_\text{P}}{r_\text{P}} = \dfrac{z_\text{P}}{\sqrt{{x_\text{P}}^2 + {y_\text{P}}^2 + {z_\text{P}}^2}} \end{aligned}
黄道座標系と赤道座標系の関係

[11] 黄道座標 (r,λ,β)⟶(r, \lambda, \beta) \longrightarrow 赤道座標 (r,α,δ)(r, \alpha, \delta) について

黄道座標系における位置 (r,λ,β)(r, \lambda, \beta) および黄道傾斜角 ε\varepsilon が既知であるとき,赤道座標系での位置は基本方程式の右辺を (X,Y,Z)(X, Y, Z) とおくことで次のように一意に定まる。

(XYZ)≡(rcos⁡βcos⁡λr(cos⁡βsin⁡λcos⁡ε−sin⁡βsin⁡ε)r(cos⁡βsin⁡λsin⁡ε+sin⁡βcos⁡ε))\begin{pmatrix} X \\ Y \\ Z \end{pmatrix} \equiv \begin{pmatrix} r \cos\beta \cos\lambda \\ r (\cos\beta \sin\lambda \cos\varepsilon - \sin\beta \sin\varepsilon) \\ r (\cos\beta \sin\lambda \sin\varepsilon + \sin\beta \cos\varepsilon) \end{pmatrix}

このとき,赤道の33 変数 (r,α,δ)(r, \alpha, \delta) は次のように求められる。

r=X2+Y2+Z2tan⁡α=YXsin⁡δ=Zr=ZX2+Y2+Z2\begin{aligned} r &= \sqrt{X^2 + Y^2 + Z^2}\\ \tan\alpha &= \dfrac{Y}{X}\\ \sin\delta &= \dfrac{Z}{r} = \dfrac{Z}{\sqrt{X^2 + Y^2 + Z^2}} \end{aligned}

[22] 赤道座標 (r,α,δ)⟶(r, \alpha, \delta) \longrightarrow 黄道座標 (r,λ,β)(r, \lambda, \beta) について

観測や星表から赤道座標 (r,α,δ)(r, \alpha, \delta) および黄道傾斜角 ε\varepsilon が既知であるとき,基本方程式を黄道成分について解くことで,黄道座標系での位置が一意に復元される。

(xyz)≡(rcos⁡δcos⁡αr(cos⁡δsin⁡αcos⁡ε+sin⁡δsin⁡ε)r(−cos⁡δsin⁡αsin⁡ε+sin⁡δcos⁡ε))\begin{pmatrix} x \\ y \\ z \end{pmatrix} \equiv \begin{pmatrix} r \cos\delta \cos\alpha \\ r (\cos\delta \sin\alpha \cos\varepsilon + \sin\delta \sin\varepsilon) \\ r (-\cos\delta \sin\alpha \sin\varepsilon + \sin\delta \cos\varepsilon) \end{pmatrix}

このとき,黄道の33 変数 (r,λ,β)(r, \lambda, \beta) は次のように求められる。

r=x2+y2+z2tan⁡λ=yxsin⁡β=zr=zx2+y2+z2\begin{aligned} r &= \sqrt{x^2 + y^2 + z^2}\\ \tan\lambda &= \dfrac{y}{x}\\ \sin\beta &= \dfrac{z}{r} = \dfrac{z}{\sqrt{x^2 + y^2 + z^2}} \end{aligned}
国際天球基準系と国際地球基準系の関係

[11] 天球基準系 (r,α,δ)⟶(r, \alpha, \delta) \longrightarrow 地球基準系 (r,λ,φ)(r, \lambda, \varphi) について

天球上の絶対位置 (r,α,δ)(r, \alpha, \delta) および観測時刻におけるグリニッジ恒星時 θGST\theta_\text{GST} が既知であるとき,地球固定系での位置は基本方程式の右辺を (X,Y,Z)(X, Y, Z) とおくことで次のように一意に定まる。

(XYZ)≡(rcos⁡δ(cos⁡αcos⁡θGST+sin⁡αsin⁡θGST)rcos⁡δ(−cos⁡αsin⁡θGST+sin⁡αcos⁡θGST)rsin⁡δ)\begin{pmatrix} X \\ Y \\ Z \end{pmatrix} \equiv \begin{pmatrix} r \cos\delta (\cos\alpha \cos\theta_\text{GST} + \sin\alpha \sin\theta_\text{GST}) \\ r \cos\delta (-\cos\alpha \sin\theta_\text{GST} + \sin\alpha \cos\theta_\text{GST}) \\ r \sin\delta \end{pmatrix}

このとき,地球固定系の33 変数 (r,λ,φ)(r, \lambda, \varphi) は次のように求められる。

r=X2+Y2+Z2tan⁡λ=YXsin⁡φ=Zr=ZX2+Y2+Z2\begin{aligned} r &= \sqrt{X^2 + Y^2 + Z^2}\\ \tan\lambda &= \dfrac{Y}{X}\\ \sin\varphi &= \dfrac{Z}{r} = \dfrac{Z}{\sqrt{X^2 + Y^2 + Z^2}} \end{aligned}

ただし α\alpha は α=arctan2(y,x)\alpha = \mathrm{arctan2}(y, x) を満たす。

[22] 地球基準系 (r,λ,φ)⟶(r, \lambda, \varphi) \longrightarrow 天球基準系 (r,α,δ)(r, \alpha, \delta) について

地上の観測点やGPS衛星の位置 (r,λ,φ)(r, \lambda, \varphi) およびグリニッジ恒星時 θGST\theta_\text{GST} が既知であるとき,基本方程式を天球成分について解くことで,宇宙静止系における位置が一意に復元される。

(xyz)≡(rcos⁡φ(cos⁡λcos⁡θGST−sin⁡λsin⁡θGST)rcos⁡φ(cos⁡λsin⁡θGST+sin⁡λcos⁡θGST)rsin⁡φ)\begin{pmatrix} x \\ y \\ z \end{pmatrix} \equiv \begin{pmatrix} r \cos\varphi (\cos\lambda \cos\theta_\text{GST} - \sin\lambda \sin\theta_\text{GST}) \\ r \cos\varphi (\cos\lambda \sin\theta_\text{GST} + \sin\lambda \cos\theta_\text{GST}) \\ r \sin\varphi \end{pmatrix}

このとき,天球静止系の33 変数 (r,α,δ)(r, \alpha, \delta) は次のように求められる。

r=x2+y2+z2tan⁡α=yxsin⁡δ=zr=zx2+y2+z2\begin{aligned} r &= \sqrt{x^2 + y^2 + z^2}\\ \tan\alpha &= \dfrac{y}{x}\\ \sin\delta &= \dfrac{z}{r} = \dfrac{z}{\sqrt{x^2 + y^2 + z^2}} \end{aligned}

日心黄道座標系と地心黄道座標系の関係を A\text{A},黄道座標系と赤道座標系の関係のうち地心を B⊕\text{B}_{\oplus},日心を B⊙\text{B}_{\odot},国際天球基準系と国際地球基準系の関係を C\text{C} とする。55 つの主要な座標系は,上記の 44 つの基本的な変換によって次のように変換できる。

【日心赤道】⇌BX⊙【日心黄道】⇌A【地心黄道】⇌BX⊕【ICRS】⇌C【ITRS】\text{【日心赤道】} \ce{<=>[\text{B}_{\odot}][]} \text{【日心黄道】} \ce{<=>[\text{A}][]} \text{【地心黄道】} \ce{<=>[\text{B}_{\oplus}][]} \text{【ICRS】} \ce{<=>[\text{C}][]} \text{【ITRS】}

任意の 22 つの主要な座標系間の変換(全 1010 通り)は,基本変換の合成として次のように定まる。

組み合わせ(10組)変換の種類変換具体的な操作
① 日心黄道 ⇌\rightleftharpoons 地心黄道基本変換A\text{A}太陽・地球間の平行移動
② 日心黄道 ⇌\rightleftharpoons 日心赤道基本変換B⊙\text{B}_{\odot}地軸の傾き ε\varepsilon による面の回転(太陽中心)
③ 地心黄道 ⇌\rightleftharpoons ICRS基本変換B⊕\text{B}_{\oplus}地軸の傾き ε\varepsilon による面の回転(地球中心)
④ ICRS ⇌\rightleftharpoons ITRS基本変換C\text{C}地球自転角 θGST\theta_\text{GST} による自転軸まわりの回転
⑤ 日心赤道 ⇌\rightleftharpoons 地心黄道合成変換B⊙⇌A\text{B}_{\odot} \rightleftharpoons \text{A}回転 →\to 平行移動
⑥ 日心黄道 ⇌\rightleftharpoons ICRS合成変換A⇌B⊕\text{A} \rightleftharpoons \text{B}_{\oplus}平行移動 →\to 回転
⑦ 地心黄道 ⇌\rightleftharpoons ITRS合成変換B⊕⇌C\text{B}_{\oplus} \rightleftharpoons \text{C}面の回転 →\to 自転の回転
⑧ 日心赤道 ⇌\rightleftharpoons ICRS合成変換B⊙⇌A⇌B⊕\text{B}_{\odot} \rightleftharpoons \text{A} \rightleftharpoons \text{B}_{\oplus}実質的に赤道面上での太陽・地球間平行移動
⑨ 日心黄道 ⇌\rightleftharpoons ITRS合成変換A⇌B⊕⇌C\text{A} \rightleftharpoons \text{B}_{\oplus} \rightleftharpoons \text{C}平行移動 →\to 面の回転 →\to 自転の回転
⑩ 日心赤道 ⇌\rightleftharpoons ITRS合成変換B⊙⇌A⇌B⊕⇌C\text{B}_{\odot} \rightleftharpoons \text{A} \rightleftharpoons \text{B}_{\oplus} \rightleftharpoons \text{C}−-

いずれの基本変換も線形代数における正則な平行移動(アフィン変換)または直交回転変換(SO(3)\mathrm{SO}(3))であるため,すべての変換は無条件に可逆である。基本変換のうち,回転を表す B⊙,B⊕,C\text{B}_{\odot}, \text{B}_{\oplus}, \text{C} の変換行列はすべて直交行列(R−1=RT\boldsymbol{R}^{-1} = \boldsymbol{R}^T)であり,平行移動 A\text{A} は符号反転した位置ベクトルの加減算である。合成変換の逆変換は,積の順序を逆にしてそれぞれの逆操作を施すこと((PQ)−1=Q−1P−1(\boldsymbol{P}\boldsymbol{Q})^{-1} = \boldsymbol{Q}^{-1}\boldsymbol{P}^{-1})により逆の操作をすることができる。

例えば,日心黄道座標 rh,ecl\boldsymbol{r}_{\mathrm{h,ecl}} から地球表面の地上アンテナ座標 rITRS\boldsymbol{r}_{\mathrm{ITRS}} を求める変換(⑩)は,次のように行列とベクトルの合成積として表される。

rITRS=Rz(θGST)⋅Rx(ε)⋅(rh,ecl−rE)\boldsymbol{r}_{\mathrm{ITRS}} = \boldsymbol{R}_z(\theta_\text{GST}) \cdot \boldsymbol{R}_x(\varepsilon) \cdot (\boldsymbol{r}_{\mathrm{h,ecl}} - \boldsymbol{r}_\text{E})

この逆(ITRS →\to 日心黄道)も,直交行列の性質を用いて直ちに次のように表される。

rh,ecl=Rx(−ε)⋅Rz(−θGST)⋅rITRS+rE\boldsymbol{r}_{\mathrm{h,ecl}} = \boldsymbol{R}_x(-\varepsilon) \cdot \boldsymbol{R}_z(-\theta_\text{GST}) \cdot \boldsymbol{r}_{\mathrm{ITRS}} + \boldsymbol{r}_\text{E}
日心黄道座標系と地心黄道座標系の関係

太陽中心(日心)と地球中心(地心)を結ぶ変換は,数学的には空間の平行移動(アフィン変換)であり,可逆である。すなわち 33 次元の位置ベクトルとしては次のようである。

ρ=rP−rE  ⟺  rP=ρ+rE\boldsymbol{\rho} = \boldsymbol{r}_\text{P} - \boldsymbol{r}_\text{E} \iff \boldsymbol{r}_\text{P} = \boldsymbol{\rho} + \boldsymbol{r}_\text{E}

ただし,天体観測の実務においては,望遠鏡で直接測定できるのは天球上の角度 (λ,β)(\lambda, \beta) のみであり,地心距離 ρ\rho は直接得られないことが多い。したがって,観測データから日心座標を逆算(軌道決定)するためには,時間を置いた複数回の観測やケプラーの法則,あるいはレーダー測距によって,未知数である距離 ρ\rho を拘束する必要がある。

黄道座標系と赤道座標系の関係

地心黄道座標系 ⇌\rightleftharpoons 地心赤道座標系または日心黄道座標系 ⇌\rightleftharpoons 日心赤道座標系の関係を言う。太陽系全体を俯瞰する軌道計算で使われるほかは前者が一般的な変換である。

両座標系は原点および春分点方向(xx 軸)を共有しており,黄道面から赤道面への変換は,数学的には xx 軸まわりの回転角度 ε\varepsilon による直交回転変換(SO(3)\mathrm{SO}(3) の回転行列)である。回転行列 Rx(ε)\boldsymbol{R}_x(\varepsilon) は直交行列(R−1=RT\boldsymbol{R}^{-1} = \boldsymbol{R}^T)であるため,距離 rr を保存したまま無条件に可逆である。

天体観測の実務において,惑星の公転軌道や太陽の運行は黄道座標系で記述するのが最も自然である一方,地球上の望遠鏡(赤道儀)を操作して天体を導入・追尾する際には,地球の自転軸に基づいた赤道座標系(赤経 α\alpha,赤緯 δ\delta)が不可欠である。

国際天球基準系と国際地球基準系の関係

両座標系は地球の重心を原点,自転軸(天の北極)を zz 軸として共有しており,宇宙静止系から地球固定系への変換は,数学的には zz 軸まわりの回転角度 θGST\theta_\text{GST}(グリニッジ恒星時)による直交回転変換(SO(3)\mathrm{SO}(3) の回転行列)である。回転行列 Rz(θGST)\boldsymbol{R}_z(\theta_\text{GST}) は直交行列(R−1=RT\boldsymbol{R}^{-1} = \boldsymbol{R}^T)であるため,距離 rr および緯度(δ=φ\delta = \varphi)を保存したまま無条件に可逆である。

遠方の電波銀河によって宇宙空間に固定された ICRS と,自転する地球の地面に固定された ITRS を結ぶため,主にGPS,GNSS測位,人工衛星の軌道追跡,VLBI観測といった重要分野においてこの変換は用いられる。さらに地球科学においては,天球に対して不動の基準(ICRS)を設けて地球表面を精密測定することにより,年間数センチメートルほどで移動するといったプレートテクトニクスなどの地殻変動をより良い精度で検出するためにも用いられる。

離角

定義

観測者のいる位置を原点 O\text{O} にとり,観測天体の位置を点 A\text{A},中心天体の位置を点 B\text{B} とし,それぞれの点を見込む単位ベクトルを uA\boldsymbol{u}_\text{A},uB\boldsymbol{u}_\text{B} とするとき,原点 O\text{O} にいる観測者からみて,対象天体のある点 A\text{A} と中心天体のある点 B\text{B} がなす離角 ψ=∠AOB\psi = \angle \text{AOB} は次の式を満たす。

cos⁡ψ=uA⋅uB\cos\psi = \boldsymbol{u}_\text{A} \cdot \boldsymbol{u}_\text{B}

合

定義

観測者のいる位置を原点 O\text{O} にとり,観測天体の位置を点 A\text{A},中心天体の位置を点 B\text{B} とする。それぞれの位置ベクトルを rA\boldsymbol{r}_\text{A},rB\boldsymbol{r}_\text{B},それぞれの点を見込む単位ベクトルを uA\boldsymbol{u}_\text{A},uB\boldsymbol{u}_\text{B} とする。

{uA=rA∣rA∣uB=rB∣rB∣\left\{ \begin{aligned} \boldsymbol{u}_\text{A} = \dfrac{\boldsymbol{r}_\text{A}}{|\boldsymbol{r}_\text{A}|}\\[8pt] \boldsymbol{u}_\text{B} = \dfrac{\boldsymbol{r}_\text{B}}{|\boldsymbol{r}_\text{B}|} \end{aligned} \right.

また,観測者の公転面を基準面に設定し,その単位法線ベクトルを n\boldsymbol{n} としたうえで,視線ベクトル uA,uB\boldsymbol{u}_\text{A}, \boldsymbol{u}_\text{B} を基準面に正射影して規格化した単位ベクトルを,それぞれ見かけの視線方向の単位ベクトル uA′{\boldsymbol{u}_\text{A}}^\prime,uB′{\boldsymbol{u}_\text{B}}^\prime とする。

{uA′=uA−(uA⋅n)n∣uA−(uA⋅n)n∣uB′=uB−(uB⋅n)n∣uB−(uB⋅n)n∣\left\{ \begin{aligned} {\boldsymbol{u}_\text{A}}^\prime &= \dfrac{\boldsymbol{u}_\text{A} - (\boldsymbol{u}_\text{A} \cdot \boldsymbol{n})\boldsymbol{n}}{\left|\boldsymbol{u}_\text{A} - (\boldsymbol{u}_\text{A} \cdot \boldsymbol{n})\boldsymbol{n}\right|}\\[8pt] {\boldsymbol{u}_\text{B}}^\prime &= \dfrac{\boldsymbol{u}_\text{B} - (\boldsymbol{u}_\text{B} \cdot \boldsymbol{n})\boldsymbol{n}}{\left|\boldsymbol{u}_\text{B} - (\boldsymbol{u}_\text{B} \cdot \boldsymbol{n})\boldsymbol{n}\right|} \end{aligned} \right.

このとき,基準面上において,原点 O\mathrm{O} にいる観測者から見て,点 A\text{A} にある観測天体と点 B\text{B} にある中心天体の見かけの視線が同一方向にある,すなわち合となるとき,次の関係式が成り立つ。

uA′⋅uB′=1{\boldsymbol{u}_\text{A}}^\prime \cdot {\boldsymbol{u}_\text{B}}^\prime = 1
内合

基準面上において,観測天体 A\text{A} が中心天体 C\text{C} よりも手前にある,すなわち内合である場合,それぞれの位置ベクトルの大きさ rAr_\text{A},rBr_\text{B} について,次の関係式が成り立つ。

rA<rBr_\text{A} < r_\text{B}
外合

基準面上において,観測天体 A\text{A} が中心天体 C\text{C} よりも奥にある,すなわち外合である場合,それぞれの位置ベクトルの大きさ rAr_\text{A},rBr_\text{B} について,次の関係式が成り立つ。

rA>rBr_\text{A} > r_\text{B}

衝

定義

観測者のいる位置を原点 O\text{O} にとり,観測天体の位置を点 A\text{A},中心天体の位置を点 B\text{B} とし,それぞれの点を見込む単位ベクトルを uA\boldsymbol{u}_\text{A},uB\boldsymbol{u}_\text{B} とする。

また,観測者の公転面を基準面に設定し,その単位法線ベクトルを n\boldsymbol{n} としたうえで,視線ベクトル uA,uB\boldsymbol{u}_\text{A}, \boldsymbol{u}_\text{B} を基準面に正射影して規格化した単位ベクトルを,それぞれ見かけの視線方向の単位ベクトル uA′{\boldsymbol{u}_\text{A}}^\prime,uB′{\boldsymbol{u}_\text{B}}^\prime とする。

{uA′=uA−(uA⋅n)n∣uA−(uA⋅n)n∣uB′=uB−(uB⋅n)n∣uB−(uB⋅n)n∣\left\{ \begin{aligned} {\boldsymbol{u}_\text{A}}^\prime &= \dfrac{\boldsymbol{u}_\text{A} - (\boldsymbol{u}_\text{A} \cdot \boldsymbol{n})\boldsymbol{n}}{\left|\boldsymbol{u}_\text{A} - (\boldsymbol{u}_\text{A} \cdot \boldsymbol{n})\boldsymbol{n}\right|}\\[8pt] {\boldsymbol{u}_\text{B}}^\prime &= \dfrac{\boldsymbol{u}_\text{B} - (\boldsymbol{u}_\text{B} \cdot \boldsymbol{n})\boldsymbol{n}}{\left|\boldsymbol{u}_\text{B} - (\boldsymbol{u}_\text{B} \cdot \boldsymbol{n})\boldsymbol{n}\right|} \end{aligned} \right.

このとき,基準面上において,原点 O\mathrm{O} にいる観測者から見て,点 A\text{A} にある観測天体と点 B\text{B} にある中心天体の見かけの視線が正反対の方向にある,すなわち衝となるとき,次の関係式が成り立つ。

uA′⋅uB′=−1{\boldsymbol{u}_\text{A}}^\prime \cdot {\boldsymbol{u}_\text{B}}^\prime = -1

矩く

定義

観測者のいる位置を原点 O\text{O} にとり,観測天体の位置を点 A\text{A},中心天体の位置を点 B\text{B} とし,それぞれの点を見込む単位ベクトルを uA\boldsymbol{u}_\text{A},uB\boldsymbol{u}_\text{B} とする。

また,観測者の公転面を基準面に設定し,その単位法線ベクトルを n\boldsymbol{n} としたうえで,視線ベクトル uA,uB\boldsymbol{u}_\text{A}, \boldsymbol{u}_\text{B} を基準面に正射影して規格化した単位ベクトルを,それぞれ見かけの視線方向の単位ベクトル uA′{\boldsymbol{u}_\text{A}}^\prime,uB′{\boldsymbol{u}_\text{B}}^\prime とする。

{uA′=uA−(uA⋅n)n∣uA−(uA⋅n)n∣uB′=uB−(uB⋅n)n∣uB−(uB⋅n)n∣\left\{ \begin{aligned} {\boldsymbol{u}_\text{A}}^\prime &= \dfrac{\boldsymbol{u}_\text{A} - (\boldsymbol{u}_\text{A} \cdot \boldsymbol{n})\boldsymbol{n}}{\left|\boldsymbol{u}_\text{A} - (\boldsymbol{u}_\text{A} \cdot \boldsymbol{n})\boldsymbol{n}\right|}\\[8pt] {\boldsymbol{u}_\text{B}}^\prime &= \dfrac{\boldsymbol{u}_\text{B} - (\boldsymbol{u}_\text{B} \cdot \boldsymbol{n})\boldsymbol{n}}{\left|\boldsymbol{u}_\text{B} - (\boldsymbol{u}_\text{B} \cdot \boldsymbol{n})\boldsymbol{n}\right|} \end{aligned} \right.

このとき,原点 O\mathrm{O} にいる観測者から見て,点 A\text{A} にある観測天体と点 B\text{B} にある中心天体のなす離角 ψ\psi が基準面上において見かけの視線が同一方向にある,すなわち矩くとなるとき,次の関係式が成り立つ。

uA′⋅uB′=0{\boldsymbol{u}_\text{A}}^\prime \cdot {\boldsymbol{u}_\text{B}}^\prime = 0

最大離角

定義

観測者のいる位置を原点 O\text{O} にとり,観測天体の位置を点 A\text{A},中心天体の位置を点 B\text{B} とし,それぞれの点を見込む単位ベクトルを uA\boldsymbol{u}_\text{A},uB\boldsymbol{u}_\text{B} とする。

観測天体 A\text{A} が中心天体 C\text{C} の内側を公転している系につき,基準面上において,原点 O\mathrm{O} にいる観測者から見て,点 A\text{A} にある観測天体と点 B\text{B} にある中心天体の見かけの視線がなす離角 ψ\psi が極大すなわち最大離角となるとき,離角 ψ\psi の時間微分は 00 に等しい。

dψdt=0\dfrac{\mathrm{d}\psi}{\mathrm{d}t} = 0

観測者の公転面を基準面に設定し,その単位法線ベクトルを n\boldsymbol{n} としたうえで,視線ベクトル uA,uB\boldsymbol{u}_\text{A}, \boldsymbol{u}_\text{B} を基準面に正射影して規格化した単位ベクトルを,それぞれ見かけの視線方向の単位ベクトル uA′{\boldsymbol{u}_\text{A}}^\prime,uB′{\boldsymbol{u}_\text{B}}^\prime とする。

{uA′=uA−(uA⋅n)n∣uA−(uA⋅n)n∣uB′=uB−(uB⋅n)n∣uB−(uB⋅n)n∣\left\{ \begin{aligned} {\boldsymbol{u}_\text{A}}^\prime &= \dfrac{\boldsymbol{u}_\text{A} - (\boldsymbol{u}_\text{A} \cdot \boldsymbol{n})\boldsymbol{n}}{\left|\boldsymbol{u}_\text{A} - (\boldsymbol{u}_\text{A} \cdot \boldsymbol{n})\boldsymbol{n}\right|}\\[8pt] {\boldsymbol{u}_\text{B}}^\prime &= \dfrac{\boldsymbol{u}_\text{B} - (\boldsymbol{u}_\text{B} \cdot \boldsymbol{n})\boldsymbol{n}}{\left|\boldsymbol{u}_\text{B} - (\boldsymbol{u}_\text{B} \cdot \boldsymbol{n})\boldsymbol{n}\right|} \end{aligned} \right.
東方最大離角

観測天体 A\text{A} と中心天体 C\text{C} への見かけの視線方向の単位ベクトル uA′{\boldsymbol{u}_\text{A}}^\prime,uB′{\boldsymbol{u}_\text{B}}^\prime,および観測者の公転面の法線ベクトル n\boldsymbol{n} の間に以下の関係が成り立つような最大離角は東方最大離角という。

(uB′×uA′)⋅n>0({\boldsymbol{u}_\text{B}}^\prime \times {\boldsymbol{u}_\text{A}}^\prime) \cdot \boldsymbol{n} > 0
西方最大離角

観測天体 A\text{A} と中心天体 C\text{C} への見かけの視線方向の単位ベクトル uA′{\boldsymbol{u}_\text{A}}^\prime,uB′{\boldsymbol{u}_\text{B}}^\prime,および観測者の公転面の法線ベクトル n\boldsymbol{n} の間に以下の関係が成り立つような最大離角は西方最大離角という。

(uB′×uA′)⋅n<0({\boldsymbol{u}_\text{B}}^\prime \times {\boldsymbol{u}_\text{A}}^\prime) \cdot \boldsymbol{n} < 0

会合周期

定義

同一の中心天体の周りを回る,それぞれの公転周期が TAT_\text{A},TBT_\text{B} であるような 22 つの天体 A\text{A},B\text{B} があるとき,平均会合周期 ⟨S⟩\langle S \rangle と関係式は次のように与えられる。

1⟨S⟩=1TA+1TB\dfrac{1}{\langle S \rangle} = \dfrac{1}{T_\text{A}} + \dfrac{1}{T_\text{B}}
導出

中心天体のまわりを同一の向きに公転する 22 つの天体 A\text{A},B\text{B} の周期につき,TA<TBT_\text{A} < T_\text{B} としても一般性を失わない。それぞれの平均角速度を nA=2πTAn_\text{A} = \dfrac{2\pi}{T_\text{A}},nB=2πTBn_\text{B} = \dfrac{2\pi}{T_\text{B}} とし,中心天体から見た各天体の回転角を θA(t)\theta_\text{A}(t),θB(t)\theta_\text{B}(t) とする。時刻 t=0t=0 で 22 つの天体は会合していたものとし,θA(0)=θB(0)=0\theta_\text{A}(0) = \theta_\text{B}(0) = 0 とする。

ケプラーの法則より,各天体は周期 TT で軌道上を 11 周するから,任意の時刻 tt において

θ(t+T)=θ(t)+2π\theta(t + T) = \theta(t) + 2\pi

ここで新たに関数 δ(t)=θ(t)−nt\delta(t) = \theta(t) - nt とすると

δ(t+T)=θ(t+T)−n(t+T)=θ(t)+2π−nt−2π=θ(t)−nt=δ(t)\begin{aligned} \delta(t + T) &= \theta(t + T) - n(t + T) \\ &= \theta(t) + 2\pi - nt - 2\pi \\ &= \theta(t) - nt \\ &= \delta(t) \end{aligned}

ゆえに δ(t)\delta(t) は周期 TT をもつ周期関数である。第二法則より天体の角速度

dθdt=const.\dfrac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t} = \text{const.}

は常に有限かつ連続であるから,θ(t)\theta(t) および δ(t)\delta(t) は連続関数である。閉区間 [0,T][0, T] における連続関数の最大値・最小値の定理により,δ(t)\delta(t) はこの区間内で有界であり,さらに周期関数であることから全実数 tt においても有界である。したがって,ある正の定数 MA,MBM_\text{A}, M_\text{B} が存在して,各天体の回転角は

θA(t)=nAt+δA(t)(∣δA(t)∣≤MA)θB(t)=nBt+δB(t)(∣δB(t)∣≤MB)\begin{aligned} \theta_\text{A}(t) &= n_\text{A} t + \delta_\text{A}(t) \quad (|\delta_\text{A}(t)| \le M_\text{A})\\ \theta_\text{B}(t) &= n_\text{B} t + \delta_\text{B}(t) \quad (|\delta_\text{B}(t)| \le M_\text{B}) \end{aligned}

中心天体から見て 22 つの天体の方向が NN 回目に会合する時刻を tNt_N とすると,内側の天体 A\text{A} は天体 B\text{B} に対してちょうど 2πN2\pi N だけ余分に回転しているから,会合条件は

θA(tN)−θB(tN)=2πN\theta_\text{A}(t_N) - \theta_\text{B}(t_N) = 2\pi N

これに θA(t)=nAt+δA(t)\theta_\text{A}(t) = n_\text{A} t + \delta_\text{A}(t) および θB(t)=nBt+δB(t)\theta_\text{B}(t) = n_\text{B} t + \delta_\text{B}(t) を代入すると,

(nA−nB)tN+δA(tN)−δB(tN)=2πN(n_\text{A} - n_\text{B}) t_N + \delta_\text{A}(t_N) - \delta_\text{B}(t_N) = 2\pi N

ここで Δδ(t)=δA(t)−δB(t)\Delta\delta(t) = \delta_\text{A}(t) - \delta_\text{B}(t) とおくと,三角形の三辺 aa, bb, cc (a≤b≤b≤ca\leq b \leq b \leq c)について成り立つ数学公式 a+b≥ca +b \geq c を用いて

∣Δδ(t)∣≤∣δA(t)∣+∣δB(t)∣≤MA+MB|\Delta\delta(t)| \le |\delta_\text{A}(t)| + |\delta_\text{B}(t)| \le M_\text{A} + M_\text{B}

M=MA+MBM = M_\text{A} + M_\text{B} とおくと,すべての時刻 tt において ∣Δδ(t)∣≤M|\Delta\delta(t)| \le M が成り立つ。上式を tNt_N について解き,両辺を NN で除すると,

tNN=2πnA−nB−Δδ(tN)N(nA−nB)\dfrac{t_N}{N} = \dfrac{2\pi}{n_\text{A} - n_\text{B}} - \dfrac{\Delta\delta(t_N)}{N (n_\text{A} - n_\text{B})}

右辺第 22 項について絶対値を評価すると

0≤∣Δδ(tN)N(nA−nB)∣≤MN(nA−nB)0 \le \left| \dfrac{\Delta\delta(t_N)}{N (n_\text{A} - n_\text{B})} \right| \le \dfrac{M}{N (n_\text{A} - n_\text{B})}

MM および nA−nB>0n_\text{A} - n_\text{B} > 0 は定数だから,N→∞N \to \infty のとき右辺は 00 に収束する。したがって,はさみうちの原理より

lim⁡N→∞Δδ(tN)N(nA−nB)=0\lim_{N \to \infty} \dfrac{\Delta\delta(t_N)}{N (n_\text{A} - n_\text{B})} = 0

ゆえに,極限 lim⁡N→∞tNN\displaystyle\lim_{N \to \infty} \dfrac{t_N}{N} は存在し,平均角速度の定義 nA=2πTAn_\text{A} = \dfrac{2\pi}{T_\text{A}},nB=2πTBn_\text{B} = \dfrac{2\pi}{T_\text{B}} を代入して整理すると

⟨S⟩=lim⁡N→∞tNN=2π2πTA−2πTB=11TA−1TB1⟨S⟩=1TA+1TB\begin{aligned} \langle S \rangle &= \lim_{N \to \infty} \dfrac{t_N}{N} \\ &= \dfrac{2\pi}{\dfrac{2\pi}{T_\text{A}} - \dfrac{2\pi}{T_\text{B}}} \\ &= \dfrac{1}{\dfrac{1}{T_\text{A}} - \dfrac{1}{T_\text{B}}}\\ \dfrac{1}{\langle S \rangle} &= \dfrac{1}{T_\text{A}} + \dfrac{1}{T_\text{B}} \end{aligned}