■n角の穴をあけるドリル(その44)

 奇数n角の穴をあけるドリルについて「円弧の中心はn−1角形の辺の中点」という記述が誤りではないかと思い始めたのは,皮肉なことにその証明をしている最中であった.

 まず「円弧の中心は辺を中心角π/(n−1)で見込む点」が正しいのではと思われたのだが,そうであればルーローの偶数角形(n≧4)でも奇数角形と同じ式となる.このことはこのシリーズが始まったとき真っ先に考えたことであった.そのアイディアは,n=3の場合,すなわち,藤原・掛谷の二角形にはあてはまらないことから棄却したが,ここで再考することにした.

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【1】内転形であることの証明(?)

 円弧の中心が辺の中点にある場合の中心角は

  2α=2arctan(1/2・tanπ/(n−1))

で与えられるが,これとπ/(n−1)を比較してみると,

  n=5 → 2α=53.1301°   (45°)

  n=7 → 2α=32.2042°   (30°)

  n=9 → 2α=23.4018°   (22.5°)

となって,辺を中心角π/(n−1)で見込む点は正(n−1)角形の外部に位置する点となる.

 n→∞のとき

  2α=2arctan(1/2・tanπ/(n−1)) → π/(n−1)となる.目測ではn=7のときでも両者の区別はつかないだろうと思われる.

 「円弧の中心は辺を中心角π/(n−1)で見込む点」が正しいとして,(その42)の続きから証明を始める.

(1)0≦θ≦π/40,16π/40≦θ+ω≦17π/40,32π/40≦θ+2ω≦33π/40,48π/40≦θ+3ω≦49π/40,64π/40≦θ+4ω≦65π/40

 → p(θ)=ra−racosθ

 → p(θ+ω)=ra−(ra−rb)cos(θ+ω)−rbsin(θ+ω)

 → p(θ+2ω)=−(ra−rb+r2)cos(θ+2ω)+r2sin(θ+2ω)

 → p(θ+3ω)=−(ra−rb+r2)cos(θ+3ω)−r2sin(θ+3ω)

 → p(θ+4ω)=ra−(ra−rb)cos(θ+4ω)+rbsin(θ+4ω)

(2)π/40≦θ≦3π/40,17π/40≦θ+ω≦19π/40,33π/40≦θ+2ω≦35π/40,49π/40≦θ+3ω≦51π/40,65π/40≦θ+4ω≦67π/40

 → p(θ)=ra−racosθ

 → p(θ+ω)=ra−(ra−rb)cos(θ+ω)−rbsin(θ+ω)

 → p(θ+2ω)=−(ra−rb+r2)cos(θ+2ω)+r2sin(θ+2ω)

 → p(θ+3ω)=−(ra−rb+r2)cos(θ+3ω)−r2sin(θ+3ω)

 → p(θ+4ω)=−(ra−rb−r2)cos(θ+4ω)−r2sin(θ+4ω)

(3)3π/40≦θ≦5π/40,19π/40≦θ+ω≦21π/40,35π/40≦θ+2ω≦37π/40,51π/40≦θ+3ω≦53π/40,67π/40≦θ+4ω≦69π/40

 → p(θ)=ra−racosθ

 → p(θ+ω)=ra−(ra−rb)cos(θ+ω)−rbsin(θ+ω)

 → p(θ+2ω)=−(ra−rb+r2)cos(θ+2ω)+r2sin(θ+2ω)

 → p(θ+3ω)=ra−(ra−2rb)cos(θ+3ω)

 → p(θ+4ω)=−(ra−rb−r2)cos(θ+4ω)−r2sin(θ+4ω)

(4)5π/40≦θ≦7π/40,21π/40≦θ+ω≦23π/40,37π/40≦θ+2ω≦39π/40,53π/40≦θ+3ω≦55π/40,69π/40≦θ+4ω≦61π/40

 → p(θ)=−(ra−rb−r2)cosθ+r2sinθ

 → p(θ+ω)=ra−(ra−rb)cos(θ+ω)−rbsin(θ+ω)

 → p(θ+2ω)=ra−(ra−2rb)cos(θ+2ω)

 → p(θ+3ω)=−(ra−rb+r2)cos(θ+3ω)−r2sin(θ+3ω)

 → p(θ+4ω)=−(ra−rb−r2)cos(θ+4ω)−r2sin(θ+4ω)

(5)7π/40≦θ≦9π/40,23π/40≦θ+ω≦25π/40,39π/40≦θ+2ω≦41π/40,55π/40≦θ+3ω≦57π/40,71π/40≦θ+4ω≦73π/40

 → p(θ)=−(ra−rb−r2)cosθ+r2sinθ

 → p(θ+ω)=ra−(ra−rb)cos(θ+ω)−rbsin(θ+ω)

 → p(θ+2ω)=ra−(ra−2rb)cos(θ+2ω)

 → p(θ+3ω)=ra−(ra−rb)cos(θ+3ω)+rbsin(θ+3ω)

 → p(θ+4ω)=−(ra−rb−r2)cos(θ+4ω)−r2sin(θ+4ω)

(6)9π/40≦θ≦11π/40,25π/40≦θ+ω≦27π/40,41π/40≦θ+2ω≦43π/40,57π/40≦θ+3ω≦59π/40,73π/40≦θ+4ω≦75π/40

 → p(θ)=−(ra−rb−r2)cosθ+r2sinθ

 → p(θ+ω)=−(ra−rb+r2)cos(θ+ω)+r2sin(θ+ω)

 → p(θ+2ω)=ra−(ra−2rb)cos(θ+2ω)

 → p(θ+3ω)=ra−(ra−rb)cos(θ+3ω)+rbsin(θ+3ω)

 → p(θ+4ω)=−(ra−rb−r2)cos(θ+4ω)−r2sin(θ+4ω)

(7)11π/40≦θ≦13π/40,27π/40≦θ+ω≦29π/40,43π/40≦θ+2ω≦45π/40,59π/40≦θ+3ω≦61π/40,75π/40≦θ+4ω≦77π/40

 → p(θ)=−(ra−rb−r2)cosθ+r2sinθ

 → p(θ+ω)=−(ra−rb+r2)cos(θ+ω)+r2sin(θ+ω)

 → p(θ+2ω)=ra−(ra−2rb)cos(θ+2ω)

 → p(θ+3ω)=ra−(ra−rb)cos(θ+3ω)+rbsin(θ+3ω)

 → p(θ+4ω)=ra−racos(θ+4ω)

(8)13π/40≦θ≦15π/40,29π/40≦θ+ω≦31π/40,45π/40≦θ+2ω≦47π/40,61π/40≦θ+3ω≦63π/40,77π/40≦θ+4ω≦79π/40

 → p(θ)=−(ra−rb−r2)cosθ+r2sinθ

 → p(θ+ω)=−(ra−rb+r2)cos(θ+ω)+r2sin(θ+ω)

 → p(θ+2ω)=ra−(ra−2rb)cos(θ+2ω)

 → p(θ+3ω)=−(ra−rb+r2)cos(θ+3ω)−r2sin(θ+3ω)

 → p(θ+4ω)=ra−racos(θ+4ω)

(9)15π/40≦θ≦16π/40,31π/40≦θ+ω≦32π/40,47π/40≦θ+2ω≦48π/40,63π/40≦θ+3ω≦64π/40,79π/40≦θ+4ω≦2π

 → p(θ)=ra−(ra−rb)cosθ−rbsinθ

 → p(θ+ω)=−(ra−rb+r2)cos(θ+ω)+r2sin(θ+ω)

 → p(θ+2ω)=ra−(ra−2rb)cos(θ+2ω)

 → p(θ+3ω)=−(ra−rb+r2)cos(θ+3ω)−r2sin(θ+3ω)

 → p(θ+4ω)=ra−racos(θ+4ω)

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【2】内転形であることの証明(?)

 このように場合分けはかなり複雑になる.ここまでくると「円弧の中心は辺を中心角π/(n−1)で見込む点」ではなく「円弧の中心は辺を中心角π/nで見込む点」が正しいのではないかと気づかされる.2αとπ−βが簡単な整数比の関係になっていることに加えて,αとω=2π/nも有理数倍の関係であることが必要だからである.

 中心角αがα=π/nに等しいとすると

(1)0≦θ≦π/10,4π/10≦θ+ω≦5π/10,8π/10≦θ+2ω≦9π/10,12π/10≦θ+3ω≦13π/10,16π/10≦θ+4ω≦17π/10

 → p(θ)=ra−racosθ

 → p(θ+ω)=ra−(ra−rb)cos(θ+ω)−rbsin(θ+ω)

 → p(θ+2ω)=−(ra−rb+r2)cos(θ+2ω)+r2sin(θ+2ω)

 → p(θ+3ω)=−(ra−rb+r2)cos(θ+3ω)−r2sin(θ+3ω)

 → p(θ+4ω)=−(ra−rb−r2)cos(θ+4ω)−r2sin(θ+4ω)

(2)π/10≦θ≦2π/10,5π/10≦θ+ω≦6π/10,9π/10≦θ+2ω≦π,13π/10≦θ+3ω≦14π/10,17π/10≦θ+4ω≦18π/10

 → p(θ)=−(ra−rb−r2)cosθ+r2sinθ

 → p(θ+ω)=ra−(ra−rb)cos(θ+ω)−r2sin(θ+ω)

 → p(θ+2ω)=ra−(ra−2rb)cos(θ+2ω)

 → p(θ+3ω)=−(ra−rb+r2)cos(θ+3ω)−r2sin(θ+3ω)

 → p(θ+4ω)=−(ra−rb−r2)cos(θ+4ω)−r2sin(θ+4ω)

(3)2π/10≦θ≦3π/10,6π/10≦θ+ω≦7π/10,π≦θ+2ω≦11π/10,14π/10≦θ+3ω≦15π/10,18π/10≦θ+4ω≦19π/10

 → p(θ)=−(ra−rb−r2)cosθ+r2sinθ

 → p(θ+ω)=−(ra−rb+r2)cos(θ+ω)+r2sin(θ+ω)

 → p(θ+2ω)=ra−(ra−2rb)cos(θ+2ω)

 → p(θ+3ω)=ra−(ra−rb)cos(θ+3ω)+rbsin(θ+3ω)

 → p(θ+4ω)=−(ra−rb−r2)cos(θ+4ω)−r2sin(θ+4ω)

(4)3π/10≦θ≦4π/10,7π/10≦θ+ω≦8π/10,11π/10≦θ+2ω≦12π/10,15π/10≦θ+3ω≦16π/10,19π/10≦θ+4ω≦2π

 → p(θ)=−(ra−rb−r2)cosθ+r2sinθ

 → p(θ+ω)=−(ra−rb+r2)cos(θ+ω)+r2sin(θ+ω)

 → p(θ+2ω)=−(ra−rb+r2)cos(θ+2ω)−r2sin(θ+2ω)

 → p(θ+3ω)=ra−(ra−rb)cos(θ+3ω)+rbsin(θ+3ω)

 → p(θ+4ω)=ra−racos(θ+4ω)

 これで大分すっきりした.

  p(θ)+p(θ+ω)+p(θ+2ω)+p(θ+3ω)+p(θ+4ω)=定数

であるかどうかの検討は計算時間の関係で次回に譲る.

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