■初等幾何の楽しみ(その122)

 カージオイドは2通りの方法で任意等分可能な曲線である.

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【1】尖点を中心とする円を使った任意等分

 周長が

  ∫1/(1-x)^(1/2)dx

で表される曲線(カージオイド)のn等分問題について考えてみると,

  ∫1/(1-x)^(1/2)dx=-2(1-x^)^(1/2)+C

  ∫(0,1)1/(1-x)^(1/2)dx=2

より,n等分点は

  -2(1-x)^(1/2)+2=2/n

  x=1-(1-1/n)^2=(2n-1)/n^2=c

で与えられる.

 したがって,カージオイドは尖点を中心とする円を使って任意等分できる曲線で,2等分点,3等分点,5等分点に対応するカージオイド曲線上の点は以下の如くである.

          c     (x,y)

  n=2 → 0.75  → (0.375,0.6495193)

  n=3 → 0.555556  → (0.0617284,0.552115)

  n=5 → 0.36  → (-0.1008,0.3456)

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【2】固定円の同心円を使った任意等分

  大円の半径:n,小円の半径:1   (0<t<2π/n)

とする外サイクロイド

  x=(n+1)cost−cos(n+1)t

  y=(n+1)sint−sin(n+1)t

について調べてみたい.

  ∫(0,2π/n)(x’^2+y’^2)^1/2dt

 =√2(n+1)∫(0,2π/n)(1−cosnt)^1/2dt

 =2(n+1)∫(0,2π/n)sin(nt/2)dt

 =4(n+1)/n[−cos(nt/2)]=8(n+1)/n

 半弧長のm等分を考えると,

  4(n+1)/n(−cos(nt/2)+1)=4(n+1)/mn

  −cos(nt/2)+1=1/m

  cos(nt/2)=1−1/m

  r^2=x^2+y^2=(n+1)^2+1−2(n+1)cosnt=(n+1)^2+1−2(n+1){2cos^2(nt/2)−1}=(n+1)^2+1−2(n+1)(1−4/m+2/m^2)

 たとえば,2等分する場合,

  r^2=(n+1)^2+1+(n+1)

  t=2/n・arccos(1−1/m)=2π/3n

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