アポロニウスの問題の一つ「 1つの円と2 つの直線に接する円(CLL)」の解までの作図手順 | Insight for WebAnalytics

Insight for WebAnalytics - 2025年7月22日(火) 17:29
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1つの円と2 つの直線に接する円は、一般には4 つの解がある。しかしこのサイトで取り上げる範囲外(与円の中に2 つの与直線が入っている場合)で、最多の8つの解がある。かなり異なる方法を使うことになるので、後半ではそちらの作図手順についても解説する。各々想定しているのは下図のようなものだ。

1つの円と2 つの直線に接する円の作図(110手順)
条件:円C(円の中心点Cは既知とする)、円Cの外側にある2 直線OX, OYが与えられている(赤表示)
解の数:一般解は 4つ

ここで利用する手法:ここから先の問題でもよく使われる方法なのだが、円の一つを点に縮小し、問題を下位の易しい問題に置き換えて解き、その上で最後に縮小した点を円に膨らませるという手法を使う。実際具体的に見て頂く方が早いと思うので、作図手順に進んでいこう。二つの解を導く方法を2 種類で合計4 解を得る。

1 セット目(二つの解)の作図手順:(55手順)
①与円C に近づけるように、OX に平行な直線、OY に平行な直線を引く(19)
(「基本作図パターン集」ページの「直線 l に距離 r だけ離れた平行な直線を描く」を参照のこと)
②その2 直線を直線 l, m とする(0)
③円C の中心点C を通り、直線 l と直線 m に接する円を描く(22)
(LLPの作図ページを参照)
④③で作図できた小さい方の円をC1、大きい方の円をC2とする(0)
⑤③で作図した円C1 と円C2 それぞれで半径を r だけ膨らませた円を描く(7*2)
(「基本作図パターン集」ページの「半径 r1 の円と距離 r2から、半径 r1 + r2の円を描く」を参照のこと)
これで、与円を内側に接する二つの円C3 とC4 が描けた。
※つまりCLL問題をLLP問題に変換して解いているのだ

2 セット目(二つの解)の作図手順:(55手順)
基本的には、上の解法で二つ引く平行線を与円C から離れるようにして引き、最後は半径を r 分だけ縮めればよい。念のため全部書いておこう。
①与円C から離れるように、OX に平行な直線、OY に平行な直線を引く(19)
②その2 直線を直線 l, m とする(0)
③円C の中心点C を通り、直線 l と直線 m に接する円を描く(22)
④③で作図できた小さい方の円をC5、大きい方の円をC6 とする(0)
⑤③で作図した円C5 と円C6 それぞれで半径を r だけ縮ませた円を描く(7*2)
(「基本作図パターン集」ページの「半径 r1 の円と距離 r2から、半径 r1 - r2の円を描く」を参照のこと)
これで、与円と外側で接する二つの円C7 とC8 が描けた。
全体の位置関係
全体像が分かりにくいと思うので、解の4つの円である、円C3, 円C4, 円C7, 円C8 を描くと下図のようになる。両端の二円と、それらの間にある二円が作図においてのそれぞれの対になっているということだ。
・解が8 つある、1つの円と2 つの直線に接する円の作図(60手順)
オブジェクトの配置の自由度が増すと、解の数も解法もさまざまな変化を見せる。ここでの例はそのうちの一つの例に過ぎない。冒頭に掲示した二つ目のパターンで解説するが、かなり細かくなるので、目標の作図円の一つの大きめの解円を対象に拡大図にして説明することにする。

条件:与円Cの中に2 つの与直線p1 とp2 が入って、円内で交差している
1セット目(二つの解)の作図手順
①与円C の中心C を通り、2与直線に垂直な線 g, f を引く(4*2)
(「基本作図パターン集」ページの「与えられた点から、与えられた直線へ垂線を引く」を参照のこと)
②その直線と与円との交点を、G/J,H/Iとする(0)
③G, J, H, Iで接線 h, i , j , k を引く(6*4)
(「基本作図パターン集」ページの「円周上の任意の点で、円の接線を引く」を参照のこと)
④その4 直線の交点をK, L, M, Nとする(0)
⑤与二直線の交点をOとする(0)
⑥点O, Lを結び、直線 l (小文字のエル)とする
⑦直線 l と与円との交点をP, Qとする(0)
⑧与二直線 p1, p2 の角二等分線を二つ引き、直線 m, n とする(4*2)
(「基本作図パターン集」ページの「角の二等分線を描く」を参照のこと)
⑨点C, Pを結び、直線 n との交点をS1とする
⑩S1を中心として、半径PS1の円S1を描く、これが目的の一つ目の円
⑪点C, Qを結び、直線 n との交点をS2とする
⑫S2を中心として、半径QS2の円S2を描く、これが目的の2 つ目の円
なお下図では、点S2が遥か右下にあるため表示していない。そのため円S2も省略した。

2 ~4 セット目(二つの解を3セット)の作図手順
①上記と同様な方法を3 回繰り返して、二つの解円のセットを3セットで合計6 つ描く
②具体的には「1セット目の作図手順」の⑥でLのところをM, N, Kに変え、⑨と⑪で二セットはnをmに変えて、二セットは n の代わりに m にして、⑥⑦⑨~⑫のパターンをあと3回行えばよい(5*3)

解説:
与円C を外接する菱形KLMNを考える。菱形の性質から∠NKL及び∠KLMの二つの角の二等分線の交点が与円の中心になる。よって直線NLは与円の中心点C を通る(直線NLは右図では結んでいないが、下図では結んでいるのに注意)。

また、目的の青円の中心は、Oを通る直線NLに平行な線上にあるはず。それはまた∠WOZの角の二等分線である直線 n のことでもある。そうでないと、二つの与直線に同時に接する円にはならないからだ。

LOと与円との交点がPで、与円の中心Cと結んだPEは与円の半径。PEとその線の交点をS1とし、S1が青円の中心だと仮定してみる。円の半径上に別の円の中心があり、交点がその半径上にあるのは、両円がその交点上で接している場合しか考えられない。繰り返すが、点S1は与直線の角の二等分線上にあるので、与直線の双方ともに接しているので、目的の円でもある。

以上までが、手順⑩の目的の一つの円についての解説になる。折角なので図解はもう一つの円の場合についても以下に掲載しておく。
参考文献
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