を時刻、
,
を時刻
における2つの質点の位置ベクトル、
,
を2つの質点の質量、
を万有引力定数、
,
を最初の位置ベクトル、
,
を最初の速度ベクトルとする。二体問題の最終的な目標は、連立方程式
![{\displaystyle {\begin{cases}m_{1}{\frac {d^{2}{\boldsymbol {x}}_{1}}{dt^{2}}}=-Gm_{1}m_{2}{\frac {{\boldsymbol {x}}_{1}-{\boldsymbol {x}}_{2}}{|{\boldsymbol {x}}_{1}-{\boldsymbol {x}}_{2}|^{3}}}\\m_{2}{\frac {d^{2}{\boldsymbol {x}}_{2}}{dt^{2}}}=-Gm_{1}m_{2}{\frac {{\boldsymbol {x}}_{2}-{\boldsymbol {x}}_{1}}{|{\boldsymbol {x}}_{2}-{\boldsymbol {x}}_{1}|^{3}}}\end{cases}}}](//wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/b28bed7e19658497247dcf0860bbc64ad120f81a)
を解き、ベクトル関数
,
を、それぞれ
,
,
,
,
,
,
,
を用いて表すことである。
運動の第2法則により、
![{\displaystyle {\boldsymbol {F}}_{12}({\boldsymbol {x}}_{1},{\boldsymbol {x}}_{2})=m_{1}{\ddot {\boldsymbol {x}}}_{1}\quad \quad \quad ({\text{式 1}})}](//wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/ba1264a31cd11d01cd1c9c31615f9da30a9d858d)
![{\displaystyle {\boldsymbol {F}}_{21}({\boldsymbol {x}}_{1},{\boldsymbol {x}}_{2})=m_{2}{\ddot {\boldsymbol {x}}}_{2}\quad \quad \quad ({\text{式 2}})}](//wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/4db50ee9ace11b9922217dd0522abfe1c4dc7717)
と書ける。ここで、
は質量1が質量2から受ける力であり、
は質量2が質量1から受ける力である。
これをもとに、2つの一体問題に帰着させることで、二体問題を解くことができる。式1と式2を足すと、重心の運動を表す方程式になる。式1から式2を引くと、ベクトル
の経時変化となる。2つの解を組み合わせることで、軌跡
と
が記述できる。
重心の動き
式1と式2を足すと、
![{\displaystyle m_{1}{\ddot {\boldsymbol {x}}}_{1}+m_{2}{\ddot {\boldsymbol {x}}}_{2}=(m_{1}+m_{2}){\ddot {\boldsymbol {x}}}_{\mathrm {com} }={\boldsymbol {F}}_{12}+{\boldsymbol {F}}_{21}=0}](//wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/cb03c2376c5b0b148a7a89c24056329bb9153106)
となる。ここで、2つめの等号は運動の第3法則
を用いた。これを変形して
![{\displaystyle {\boldsymbol {x}}_{\mathrm {com} }\equiv {\frac {m_{1}{\boldsymbol {x}}_{1}+m_{2}{\boldsymbol {x}}_{2}}{m_{1}+m_{2}}}}](//wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/1ef9d7db25e0dd11e2be5da83ea5d10e5daa0b01)
となり、これは重心の位置を表す。ここから得られる式
![{\displaystyle {\ddot {\boldsymbol {x}}}_{\mathrm {com} }=0}](//wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/b0f4d2525cf0c8bec6190a2a848d269e7d0fcc37)
は、重心の速度
と、
全運動量
が一定であることを意味する。
つまり、重心の位置と速度は、初期位置と初期速度から一意に決まる。