■初等幾何の楽しみ(その59)

 双心n角形の基底についてはn=8まで解決した.昨年取り組んでいた頃には

[1]nが偶数のとき,凧型を用いていて等脚台形ではなかった.

[2]接線の方程式にはヘッセの標準形を用いていなかった.

どちらが奏功して一歩進化(深化)することができたのだろうか?

 以下では,等脚台形でなく凧型を用いた定式化に変更してみる.

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【1】n=4の場合

 内接円の中心を原点にとる.外接円との交点をA(0,−(R+d)),B(x1,y1),C(0,R−d)とすると,

  −(R+d)sinθ=r

  x1cosθ+y1sinθ=r

  x1cosφ+y1sinφ=r

  (R−d)sinφ=r

 また,外接円の中心O(0,−d)と点A,点B,点Cとの距離の2乗はR^2となることより

  x1^2+(y1+d)^2=R^2

 θとφを消去するにはどうしたらよいか?

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【2】フースの定理の別証

 φ−θ=π/2より,

  −(R+d)sinθ=r

  x1cosθ+y1sinθ=r

  −x1sinθ+y1cosθ=r

  (R−d)cosθ=r

 sinθ=−r/(R+d),cosθ=r/(R−d)を代入して整理すると,

  (R+d)x1−(R−d)y1=R^2−d^2

  (R−d)x1+(R+d)y1=R^2−d^2

  Rx1+dy1=R^2

  dx1−Ry1=d^2

x1,y1を求めて,x1^2+(y1+d)^2=R^2に代入して整理すると

  2r^2(R^2+d^2)=(R^2−d^2)^2

が得られる.

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【3】n=6の場合

 内接円の中心を原点にとる.外接円との交点をA(0,−(R+d)),B(x1,y1),C(x2,y2),D(0,R−d)とすると,

  −(R+d)sinθ=r

  x1cosθ+y1sinθ=r

  x1cosφ+y1sinφ=r

  x2cosφ+y2sinφ=r

  x2cosψ+y2sinψ=r

  (R−d)sinψ=r

 また,外接円の中心O(0,−d)と点A,点B,点C,点Dとの距離の2乗はR^2となることより

  x1^2+(y1+d)^2=R^2

  x2^2+(y2+d)^2=R^2

 θとφとψを消去するにはどうしたらよいか?

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【4】n=8の場合

 内接円の中心を原点にとる.外接円との交点をA(0,−(R+d)),B(x1,y1),C(x2,y2),D(x3,y3),E(0,R−d)とすると,

  −(R+d)sinθ=r

  x1cosθ+y1sinθ=r

  x1cosφ+y1sinφ=r

  x2cosφ+y2sinφ=r

  x2cosψ+y2sinψ=r

  x3cosψ+y3sinψ=r

  x3cosω+y3sinω=r

  (R−d)sinω=r

 また,外接円の中心O(0,−d)と点A,点B,点C,点D,点XEとの距離の2乗はR^2となることより

  x1^2+(y1+d)^2=R^2

  x2^2+(y2+d)^2=R^2

  x3^2+(y3+d)^2=R^2

 θとφとψとωを消去するにはどうしたらよいか?

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