■初等幾何の楽しみ(その114)

 (その66)(その69)(その82)(その84)の考察には,最後の部分に誤りのあることを一松信先生にご指摘頂いたので紹介したい.

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[Q]定木とコンパスで弧長が任意等分できる曲線は,直線とカージオイドの他にあるか?

について,一般解は難しいようですが,ルーレット曲線の仲間で、他にもいくつもありそうです.一例としてサイクロイドもそのようです.

  x=θ−sinθ,y=1−cosθ

  x’=1−cosθ,Y’=sinθ

  (x’^2+y’^2)^1/2=2sin(t/2)

  L(α)=∫(0,α)(x’^2+y’^2)^1/2dt=∫(0,α)sin(t/2)dt=4[1−cos(α/2)]・・・全長はα=2πを代入して8.

 有理数0<n/m<1をとると

  L(α)=8n/m

となるαは

  8n/m=4[1−cos(α/2)]

  cos(α/2)=1−2n/m

 このαは一般に定木とコンパスで作図できませんが,

  cosα=2cos^2(α/2)=2(1−2n/m)^2−1

  y=1−cosα=2n/m(1−n/m)

は有理数であって作図可能です.

 すなわち,サイクロイド曲線そのものが正確に描かれていれば,m等分するにはn=1,2,・・・,[m/2]について,この式で与えられるyの値anを作図して直線y=anとの交点を求めればよいわけでです.これは定木とコンパスだけで任意のmについて可能です.

 特例としてm=3ならサイクロイドの高さ2に対して16/9すなわち高さの比が8/9の位置の点をとればよいことになります.m=4なら中央の点と高さ2に対して3/2つまり高さの比が3/4の位置の点をとる(m=4のときはα=2π/3,π,4π/3に相当する位置)などです.

 以上は一例であり,他にも多数ありそうですが,とりあえすご一報申し上げます.

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[1]任意等分可能・・・・・・直線,カージオイド,サイクロイド族

[2]2^mΠpi 等分可能・・・円,レムニスケート

[3]2^m等分可能・・・・・・r^3/2=cos(3θ/2),r^3=cos(3θ)

[4]2等分すら不可能・・・・r^5/2=cos(5θ/2)

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