構造力学の授業で,断面二次モーメントに関する定理が出てきました.その証明をします.
まずは定義
$$I_x=\int y^2\mathrm{d}A$$
ここで,$\mathrm{d}A=B\mathrm{d}y$で,$B$は$x$軸方向に平行な幅です.
微小断面
$$I_x+I_y=I_X+I_Y$$
重心を通り直行する2軸における断面二次モーメントの和は,その軸の取り方に依らず一定である.
f_1とf_2の説明
$$\begin{eqnarray}
I_x&=&\int y^2\mathrm{d}A\\
&=&\int_a^b y^2\big(f_1(y)-f_2(y)\big)\mathrm{d}y\\
&=&\int_a^b y^2 \int_{f_2(y)}^{f_1(y)}\mathrm{d}x\mathrm{d}y\\
&=&\iint_D y^2\mathrm{d}D
\end{eqnarray}$$
故に,
$$\begin{eqnarray}
I_x+I_y&=&\iint_D(x^2+y^2)\mathrm{d}D\\
&=&\int_0^{2\pi}\int_0^{r(\theta)}r^3\mathrm{d}r\mathrm{d}\theta\quad{(x\mapsto r\cos\theta,y\mapsto r\sin\theta)}\\
&=&\int_0^{2\pi}\frac{1}{4}(r(\theta))^4\mathrm{d}\theta
\end{eqnarray}$$
$r(\theta+2\pi)=r(\theta)$とし,$XY$座標が$xy$座標に対し$\alpha$だけ傾いていて,
$$\begin{eqnarray}
I_x+I_y-I_X-I_Y&=&\int_0^{2\pi}\frac{1}{4}(r(\theta))^4\mathrm{d}\theta-\int_\alpha^{2\pi+\alpha}\frac{1}{4}(r(\theta))^4\mathrm{d}\theta\\
&=&\int_0^{\alpha}\frac{1}{4}(r(\theta))^4\mathrm{d}\theta-\int_{2\pi}^{2\pi+\alpha}\frac{1}{4}(r(\theta))^4\mathrm{d}\theta\\
&=&0\quad(\text{第二項を}2\pi+\theta\mapsto\theta\text{と置換})
\end{eqnarray}$$
具体的な計算で確認してみましょう.
$$I_x=I_y=I_X=I_Y=\frac{a^4}{12}$$
$XY$座標は45度傾けたものとします.
$$\begin{eqnarray}
I_x&=&\int y^2\mathrm{d}A\\
&=&\int_{-\frac{a}{2}}^{\frac{a}{2}}y^2ady\\
&=&\frac{a^4}{12}\\
I_X&=&\int Y^2\mathrm{d}A\\
&=&4\int_0^{\frac{a}{\sqrt{2}}}Y^2(\frac{a}{\sqrt{2}}-Y)\mathrm{d}Y\\
&=&a^4B(3,2)\quad{(Y\mapsto\frac{a}{\sqrt{2}}Y)}\\
&=&\frac{a^4}{12}
\end{eqnarray}$$
beta関数を使いました.
$$I_x=I_y=I_X=I_Y=\frac{\pi d^4}{64}$$
自明
アステロイドやレム二スケートで同様にすると面白い積分が出てくるかも...
短いですがこれで終わります.
追記
図2を追加しました.