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Cinderellaで数学:いろいろな曲線:ニュートンの円錐曲線作図器

 「曲線の事典」(礒田正美他編著:共立出版 2009)に掲載されている,ニュートンのV型定木による円錐曲線の作図器です。
 説明文は本文が少しわかりにくいので修正して書きます。

 平面上に2つのV型の定木CADとEBFが向かい合わせに置かれている。∠CADと∠EBFは固定されていて,それぞれA,Bを中心に回転できるようになっている。2つの定木の交点をP,Qとし,Qは直線上を動くものとする。
∠CAD+∠EBFが180°より小さいとき,Pの軌跡は双曲線になる。
∠CAD+∠EBFが180°のとき,Pの軌跡は放物線になる。
∠CAD+∠EBFが180°より大きいとき,Pの軌跡は楕円になる。

というものです。

「曲線の事典」(礒田正美他編著:共立出版 2009) p67

 点Qを直線上の動点として,まずこのV型定木を作図してみましょう。
① 直線ABを引き,直線上に点Cを取る(Qに該当します)
② 適当なところに点Dをとり,インスペクタで固定点にする。
③ CDを結ぶ直線を引き,Dを中心に適当な円を描き,交点をとる(E)
④ Eを中心に円を描き,2つの円の交点を1つとる。(F)
⑤ 直線DFをひく。
 こうすると,2つの円の効果で,∠EDFは一定になります。
点Cを動かして,DEとDFがDを中心に回転すること,∠EDFが一定であることを確かめましょう。

インスペクタで点の名前を先の説明に合わせて変え,直線を線分にすると,次のようにV型定木の形にします。(CE,DF上に点を取って線分にします。)

同じようにして,右側に向かい合わせに定木を作図し,交点をPとします。
軌跡ツールを選び,動かす点としてQ,軌跡を描く点としてPを選べば円錐曲線が描かれます。(背景を白にし,作図に用いた補助円は非表示にしています)

ニュートンの作図器による双曲線

V字定木を作図するのに使った2つの円の大きさによって,A,Bの角は簡単に変えられます。次の図は向かい合う角の和を180°より大きくしたもので,楕円になります。

ニュートンの作図器による楕円

 向かい合う角の和をちょうど180°にするには,APBQが同一円周上にあるように作図のしかたを少し変えましょう。
 直線とその上の点C,2つの固定点D,Eをとったら(D,Eは点を取ってからインスペクタで固定点にする)この3点を通る円を「3点で決まる円」のツールで描きます。続いて,Dの方のV字定木を先ほどと同じように2つの補助円で描きますが,できた直線DGと,3点C,D,Eを通る円との交点をとります。(H)
 EとHを結べば右側のV字ができます。

ニュートンの作図器による放物線

補助円などを非表示にし,すこし手を加えて作図器を模したものを作りました。


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