■初等幾何の楽しみ(その77)

 ポンスレーの定理は円を楕円に置き換えても成り立つ.さらに円を球面上の球帽,n角形を球面上の円弧n角形に置き換えても成立する.

 また,オイラー・フースの定理を拡張する方向としては、ひとつには双心n角形のnを大きくすること,もうひとつには凸n角形の星形化を考えることである.前者はn=8まで解決済みであるが,後者すなわち星形奇数n角形に対してもオイラー・フースもどきの定理は成り立つだろうか?

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【1】n=5の場合

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

  x1cosθ−rsinθ=r

  x2cosθ+y2sinθ=r

  x2cosφ+y2sinφ=r

  (R+d)sinφ=r

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

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

  x2^2+(y2−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】n=5の星形化(星形5/2角形)

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

  x1cosθ+rsinθ=r

  x2cosθ+y2sinθ=r

  x2cosφ+y2sinφ=r

  (R+d)sinφ=r

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

  x1^2+(r−d)^2=R^2

  x2^2+(y2−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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【3】n=7の場合

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

  x1cosθ−rsinθ=r

  x2cosθ+y2sinθ=r

  x2cosφ+y2sinφ=r

  x3cosφ+y3sinφ=r

  x3cosψ+y3sinψ=r

  (R+d)sinψ=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+(r+d)^2=R^2

  x2^2+(y2−d)^2=R^2

  x3^2+(y3−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=7の星形化(星形7/2角形)

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

  x1cosθ+rsinθ=r

  x2cosθ+y2sinθ=r

  x2cosφ+y2sinφ=r

  x3cosφ+y3sinφ=r

  x3cosψ+y3sinψ=r

  (R+d)sinψ=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+(r−d)^2=R^2

  x2^2+(y2−d)^2=R^2

  x3^2+(y3−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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【5】n=9の場合

 内接円の中心を原点にとる.外接円との交点をA(x1,−r),B(x2,y2),C(x3,y3),D(x4,y4),E(0,R+d)とすると,

  x1cosα−rsinα=r

  x2cosα+y2sinα=r

  x2cosβ+y2sinβ=r

  x3cosβ+y3sinβ=r

  x3cosγ+y3sinγ=r

  x4cosγ+y4sinγ=r

  x4cosδ+y4sinδ=r

  (R+d)sinδ=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+(r+d)^2=R^2

  x2^2+(y2−d)^2=R^2

  x3^2+(y3−d)^2=R^2

  x4^2+(y4−d)^2=R^2

 α,β,γ,δを消去するにはどうしたらよいか?

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【6】n=9の星形化(星形9/2角形)

 内接円の中心を原点にとる.外接円との交点をA(x1,r),B(x2,y2),C(x3,y3),D(x4,y4),E(0,R+d)とすると,

  x1cosα+rsinα=r

  x2cosα+y2sinα=r

  x2cosβ+y2sinβ=r

  x3cosβ+y3sinβ=r

  x3cosγ+y3sinγ=r

  x4cosγ+y4sinγ=r

  x4cosδ+y4sinδ=r

  (R+d)sinδ=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+(r−d)^2=R^2

  x2^2+(y2−d)^2=R^2

  x3^2+(y3−d)^2=R^2

  x4^2+(y4−d)^2=R^2

 α,β,γ,δを消去するにはどうしたらよいか?

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