幾何学 において、フィロー線 (フィローせん、ヒーローせん[ 1] 、英 : Philo line )または、フィロン線 (Philon line )は、ある角 とその内側にある点に対して定義される、その点を通り、角を成す2直線 上に端点をもつ最短線分 である[ 2] [ 3] [ 4] 。フィローの線 とも書かれる[ 5] 。発明家のビザンチウムのフィロンに因んで名付けられた[ 6] 。フィロンはこの線分を立方体倍積問題 の解決に用いた[ 7] [ 8] 。フィロー線は定規とコンパスによる作図 ができない[ 7] [ 9] 。
幾何学的な特徴づけ 点P と角DOE のフィロー線DE 。線分DE の端点とそれぞれP 、Q 間の距離が等しいような点Q は頂点O からの垂足となる。 フィロー線は頂角を通る垂線 によって幾何学 的な定義ができる。点 P {\displaystyle P} と ∠ D O E {\displaystyle \angle DOE} のフィロー線を D E {\displaystyle DE} とする。ただし D , E ≠ O {\displaystyle D,E\neq O} 。また D E {\displaystyle DE} と、 D E {\displaystyle DE} の頂角 O {\displaystyle O} を通る垂線との交点を Q {\displaystyle Q} とする。このとき D P = E Q , E P = D Q {\displaystyle DP=EQ,EP=DQ} となる[ 7] 。
逆に P {\displaystyle P} と Q {\displaystyle Q} が、線分 D E {\displaystyle DE} の端点との距離が等しく、頂角 O {\displaystyle O} を通る D E {\displaystyle DE} の垂線が Q {\displaystyle Q} を通れば、この線分 D E {\displaystyle DE} は点 P {\displaystyle P} と ∠ D O E {\displaystyle \angle DOE} のフィロー線である[ 7] 。
代数的な構築 頂角 O {\displaystyle O} に対するそれぞれ端点 D , E {\displaystyle D,E} の方向と P {\displaystyle P} の位置を適切に固定することで、以下のように代数的手法によって、フィロー線を得られる。
O {\displaystyle O} を原点とする直交座標 系を描く。 E {\displaystyle E} を x {\displaystyle x} 軸、 D {\displaystyle D} を y = m x ( m ≠ 0 ) {\displaystyle y{=}mx\ (m\neq 0)} 上にある点とする。 m {\displaystyle m} は ∠ D O E {\displaystyle \angle DOE} の正接 となる。 ∠ D O E {\displaystyle \angle DOE} 内の点 P {\displaystyle P} の座標を ( P x , P y ) {\displaystyle (P_{x},P_{y})} として、 E = ( E x , 0 ) {\displaystyle E=(E_{x},0)} と D = ( D x , D y ) = ( D x , m D x ) {\displaystyle D=(D_{x},D_{y})=(D_{x},mD_{x})} の座標を得る事を目標とする。
傾き α ≠ 0 {\displaystyle \alpha \neq 0} を持つ直線が ( x , y ) = ( P x , P y ) {\displaystyle (x,y)=(P_{x},P_{y})} を通るとき、その直線の方程式は
y = α ( x − P x ) + P y . {\displaystyle y=\alpha (x-P_{x})+P_{y}.} である。この直線と x {\displaystyle x} 軸の交点は
α ( x − P x ) + P y = 0 {\displaystyle \alpha (x-P_{x})+P_{y}=0} を解けばよく、 E {\displaystyle E} の座標は
( E x , E y ) = ( P x − P y α , 0 ) . {\displaystyle (E_{x},E_{y})=\left(P_{x}-{\frac {P_{y}}{\alpha }},0\right).} となる。 α ≠ m {\displaystyle \alpha \neq m} として、先の直線と y = m x {\displaystyle y=mx} の交点は
α ( x − P x ) + P y = m x {\displaystyle \alpha (x-P_{x})+P_{y}=mx} を解くことで
( D x , D y ) = ( α P x − P y α − m , m α P x − P y α − m ) . {\displaystyle (D_{x},D_{y})=\left({\frac {\alpha P_{x}-P_{y}}{\alpha -m}},m{\frac {\alpha P_{x}-P_{y}}{\alpha -m}}\right).} とわかる。 D , E {\displaystyle D,E} のユークリッド距離 の自乗 は次の式により求めることができる。
E D 2 = d 2 = ( E x − D x ) 2 + ( E y − D y ) 2 = m 2 ( α P x − P y ) 2 ( 1 + α 2 ) α 2 ( α − m ) 2 . {\displaystyle ED^{2}=d^{2}=(E_{x}-D_{x})^{2}+(E_{y}-D_{y})^{2}={\frac {m^{2}(\alpha P_{x}-P_{y})^{2}(1+\alpha ^{2})}{\alpha ^{2}(\alpha -m)^{2}}}.} α {\displaystyle \alpha } が負の範囲で長さが最小の時、 D E {\displaystyle DE} はフィロー線となる。
導関数 ∂ d 2 / ∂ α = 0 {\displaystyle \partial d^{2}/\partial \alpha =0} となるような α {\displaystyle \alpha } は最小値の候補となる。
− 2 m 2 ( P x α − P y ) [ ( m P x − P y ) α 3 + P x α 2 − 2 P y α + P y m ] α 3 ( α − m ) 3 = 0. {\displaystyle -2m^{2}{\frac {(P_{x}\alpha -P_{y})[(mP_{x}-P_{y})\alpha ^{3}+P_{x}\alpha ^{2}-2P_{y}\alpha +P_{y}m]}{\alpha ^{3}(\alpha -m)^{3}}}=0.} 整理して、
( m P x − P y ) α 3 + P x α 2 − 2 P y α + P y m = 0 {\displaystyle (mP_{x}-P_{y})\alpha ^{3}+P_{x}\alpha ^{2}-2P_{y}\alpha +P_{y}m=0} この式は、 P {\displaystyle P} を通る直線束 の中で最短の線分の傾きを決定する。ただし、全体の最小値 は α = P y / P x {\displaystyle \alpha =P_{y}/P_{x}} の場合であり、これは y = m x {\displaystyle y=mx} と x {\displaystyle x} 軸の交点 ( 0 , 0 ) {\displaystyle (0,0)} を通ってしまうため不適である。 − α {\displaystyle -\alpha } は ∠ O E D {\displaystyle \angle OED} の正接となる。
α 1 = P y / ( P x − E x ) {\displaystyle \alpha _{1}=P_{y}/(P_{x}-E_{x})} を代入すれば E x {\displaystyle E_{x}} は三次多項式
m x 3 + ( 2 P y − 3 m P x ) x 2 + 3 P x ( m P x − P y ) x − ( m P x − P y ) ( P x 2 + P y 2 ) . {\displaystyle mx^{3}+(2P_{y}-3mP_{x})x^{2}+3P_{x}(mP_{x}-P_{y})x-(mP_{x}-P_{y})(P_{x}^{2}+P_{y}^{2}).} の根となる。したがってこの三次方程式 を解くことはフィロー線と x {\displaystyle x} 軸の交点を見つけることと等しい。1837年のピエール・ヴァンツェル の発見によれば、非自明な三次方程式の根は定規とコンパスによる作図 ができないため、フィロー線も作図することはできない。
また方程式の解を次式に代入すれば、フィロー線の長さを得る。
d 2 = P y 2 + x 2 − 2 x P x + P x 2 ( P y + m x − m P x ) 2 x 2 m 2 . {\displaystyle d^{2}={\frac {P_{y}^{2}+x^{2}-2xP_{x}+P_{x}^{2}}{(P_{y}+mx-mP_{x})^{2}}}x^{2}m^{2}.}
Qの位置 O Q {\displaystyle OQ} は E D {\displaystyle ED} の垂線 であるから、その傾きは − 1 / α {\displaystyle -1/\alpha } である。したがって O Q {\displaystyle OQ} の方程式は y = − x / α {\displaystyle y=-x/\alpha } である。 Q = ( Q x , Q y ) {\displaystyle Q=(Q_{x},Q_{y})} とおいて、フィロー線 y = α ( x − P x ) + P y {\displaystyle y=\alpha (x-P_{x})+P_{y}} との交点は α ( x − P x ) + P y = − x / α {\displaystyle \alpha (x-P_{x})+P_{y}=-x/\alpha } を解くことによって得られ、
Q x = ( α P x − P y ) α 1 + α 2 {\displaystyle Q_{x}={\frac {(\alpha P_{x}-P_{y})\alpha }{1+\alpha ^{2}}}} Q y = − Q x / α = P y − α P x 1 + α 2 {\displaystyle Q_{y}=-Q_{x}/\alpha ={\frac {P_{y}-\alpha P_{x}}{1+\alpha ^{2}}}} となる。また、 D ( D x , D y ) {\displaystyle D(D_{x},D_{y})} と Q {\displaystyle Q} の距離の自乗は
D Q 2 = ( D x − Q x ) 2 + ( D y − Q y ) 2 = ( α P x − P y ) 2 ( 1 + α m ) 2 ( 1 + α 2 ) ( α − m ) 2 {\displaystyle DQ^{2}=(D_{x}-Q_{x})^{2}+(D_{y}-Q_{y})^{2}={\frac {(\alpha P_{x}-P_{y})^{2}(1+\alpha m)^{2}}{(1+\alpha ^{2})(\alpha -m)^{2}}}} . で、 E {\displaystyle E} と P {\displaystyle P} の距離の自乗は
E P 2 ≡ ( E x − P x ) 2 + ( E y − P y ) 2 = P y 2 ( 1 + α 2 ) α 2 {\displaystyle EP^{2}\equiv (E_{x}-P_{x})^{2}+(E_{y}-P_{y})^{2}={\frac {P_{y}^{2}(1+\alpha ^{2})}{\alpha ^{2}}}} . で表される。差を取って
D Q 2 − E P 2 = [ ( P x m + P y ) α 3 + ( P x − 2 P y m ) α 2 − P y m ] [ ( P x m − P y ) α 3 + P x α 2 − 2 P y α + P y m ] α 2 ( 1 + α 2 ) ( a − m ) 2 {\displaystyle DQ^{2}-EP^{2}={\frac {[(P_{x}m+P_{y})\alpha ^{3}+(P_{x}-2P_{y}m)\alpha ^{2}-P_{y}m][(P_{x}m-P_{y})\alpha ^{3}+P_{x}\alpha ^{2}-2P_{y}\alpha +P_{y}m]}{\alpha ^{2}(1+\alpha ^{2})(a-m)^{2}}}} . α {\displaystyle \alpha } に関する上記の三次方程式 より、この式の表す値は0 になり D Q = P E {\displaystyle DQ=PE} が示される。
特殊な場合:直角三角形 ( x , y ) = ( P x , P y ) ( P x , P y > 0 ) {\displaystyle (x,y)=(P_{x},P_{y})\quad (P_{x},P_{y}>0)} を通る直線束の傾き α {\displaystyle \alpha } の直線は、上の式によって表すことができた。 ∠ D O E {\displaystyle \angle DOE} が直角 であるとき、 m → ∞ {\displaystyle m\to \infty } とすればよく、 D O {\displaystyle DO} は y {\displaystyle y} 軸と一致する。
y {\displaystyle y} 軸と傾き α {\displaystyle \alpha } の直線の交点の y {\displaystyle y} 座標
α ( − P x ) + P y {\displaystyle \alpha (-P_{x})+P_{y}} である。したがって、交点 D {\displaystyle D} の座標は
( D x , D y ) = ( 0 , P y − α P x ) . {\displaystyle (D_{x},D_{y})=(0,P_{y}-\alpha P_{x}).} となる。 D , E {\displaystyle D,E} のユークリッド距離 の自乗 は次の式により求めることができる。
d 2 = ( E x − D x ) 2 + ( E y − D y ) 2 = ( α P x − P y ) 2 ( 1 + α 2 ) α 2 . {\displaystyle d^{2}=(E_{x}-D_{x})^{2}+(E_{y}-D_{y})^{2}={\frac {(\alpha P_{x}-P_{y})^{2}(1+\alpha ^{2})}{\alpha ^{2}}}.} α {\displaystyle \alpha } が負の範囲で長さが最小の時、 D E {\displaystyle DE} はフィロー線となる。導関数 ∂ d 2 / ∂ α = 0 {\displaystyle \partial d^{2}/\partial \alpha =0} となるような α {\displaystyle \alpha } は
2 ( P x α − P y ) ( P x α 3 + P y ) α 3 = 0 {\displaystyle 2{\frac {(P_{x}\alpha -P_{y})(P_{x}\alpha ^{3}+P_{y})}{\alpha ^{3}}}=0} を解くことで得られる。 α = P y / P x {\displaystyle \alpha =P_{y}/P_{x}} は不適であることに注意して、解は
α = − P y / P x 3 {\displaystyle \alpha =-{\sqrt[{3}]{P_{y}/P_{x}}}} である。したがってフィロー線の長さは
d = P y − α P x | α | 1 + α 2 = P x [ 1 + ( P y / P x ) 2 / 3 ] 3 / 2 . {\displaystyle d={\frac {P_{y}-\alpha P_{x}}{|\alpha |}}{\sqrt {1+\alpha ^{2}}}=P_{x}[1+(P_{y}/P_{x})^{2/3}]^{3/2}.} α 1 = P y / ( P x − E x ) {\displaystyle \alpha _{1}=P_{y}/(P_{x}-E_{x})} とおいて、方程式を解けば E {\displaystyle E} の x {\displaystyle x} 座標を得る。
E x = P x + P y P y / P x 3 . {\displaystyle E_{x}=P_{x}+P_{y}{\sqrt[{3}]{P_{y}/P_{x}}}.}
三角法による代数的構築 三角法を用いたフィロン線の性質の証明 O Q {\displaystyle OQ} が垂線であるから、三角関数 を用いて、辺の長さを次のように表せる。ここで、 ∠ P O Q = φ , ∠ D O E = θ b , ∠ D O Q = θ c , O Q = h , O P = a {\displaystyle \angle POQ=\varphi ,\angle DOE=\theta _{b},\angle DOQ=\theta _{c},OQ=h,OP=a} とする。
D Q = h tan ( θ c − φ ) {\displaystyle DQ=h\tan(\theta _{c}-\varphi )} Q E = h tan ( θ b + φ ) {\displaystyle QE=h\tan(\theta _{b}+\varphi )} P Q = h tan ( φ ) {\displaystyle PQ=h\tan(\varphi )} E P = h tan ( θ b + φ ) − h tan ( φ ) {\displaystyle EP=h\tan(\theta _{b}+\varphi )-h\tan(\varphi )} h = a cos ( φ ) {\displaystyle h=a\cos(\varphi )} これらより
D E = L ( φ ) = a cos ( φ ) ( tan ( θ c − φ ) + tan ( θ b + φ ) ) {\displaystyle DE=L(\varphi )=a\cos(\varphi )\left(\tan(\theta _{c}-\varphi )+\tan(\theta _{b}+\varphi )\right)}
を得る。次に L ( φ ) {\displaystyle L(\varphi )} の導関数 を求める。
L ′ ( φ ) = a cos ( φ ) ( − tan 2 ( θ c − φ ) + tan 2 ( θ b + φ ) ) − a sin ( φ ) ( tan ( θ c − φ ) + tan ( θ b + φ ) ) {\displaystyle L'(\varphi )=a\cos(\varphi )\left(-\tan ^{2}(\theta _{c}-\varphi )+\tan ^{2}(\theta _{b}+\varphi )\right)-a\sin(\varphi )\left(\tan(\theta _{c}-\varphi )+\tan(\theta _{b}+\varphi )\right)} L ′ ( φ ) = a cos ( φ ) ( tan ( θ c − φ ) + tan ( θ b + φ ) ) ( − tan ( θ c − φ ) + tan ( θ b + φ ) − tan ( φ ) ) {\displaystyle L'(\varphi )=a\cos(\varphi )\left(\tan(\theta _{c}-\varphi )+\tan(\theta _{b}+\varphi )\right)\left(-\tan(\theta _{c}-\varphi )+\tan(\theta _{b}+\varphi )-\tan(\varphi )\right)} L ′ ( φ ) = L ( φ ) ( − tan ( θ c − φ ) + tan ( θ b + φ ) − tan ( φ ) ) = 1 h L ( φ ) ( P E − Q D ) {\displaystyle L'(\varphi )=L(\varphi )\left(-\tan(\theta _{c}-\varphi )+\tan(\theta _{b}+\varphi )-\tan(\varphi )\right)={\frac {1}{h}}L(\varphi )(PE-QD)} D E , h > 0 {\displaystyle DE,h>0} であるから、導関数の値が0になるときは、 P E = Q D {\displaystyle PE=QD} となるとき。したがって、上記のフィロー線の性質が証明された。
立方体倍積問題 フィロー線は立方体倍積問題 の解決に用いられる。立方体倍積問題は2 の立方根 が作図可能 かという問題に帰着しする。これがフィロー線を定義したフィロンの目的であった[ 10] 。 P Q : Q R = 1 : 2 {\displaystyle PQ:QR=1:2} となる長方形 P Q R S {\displaystyle PQRS} を作る。 T U {\displaystyle TU} を ∠ Q R S {\displaystyle \angle QRS} と点 P {\displaystyle P} のフィロー線とする。 V {\displaystyle V} を R {\displaystyle R} を通るフィロー線 T U {\displaystyle TU} の垂線 の足とすれば、三角形 R V P {\displaystyle RVP} は R P {\displaystyle RP} を直径 とする円(長方形 P Q R S {\displaystyle PQRS} の外接円 )に内接 する。
W {\displaystyle W} を V {\displaystyle V} を通る直線 Q R {\displaystyle QR} の垂線の足として、長方形とフィロー線の性質、三角形と比の定理から R S = P Q {\displaystyle RS=PQ} , R W = Q U {\displaystyle RW=QU} , W U = R Q {\displaystyle WU=RQ} が従う。また、直角三角形 P Q U {\displaystyle PQU} , R W V {\displaystyle RWV} , V W U {\displaystyle VWU} は相似 である。これらを用いることによって R S : R W = P Q : Q U = R W : W V = W V : W U = W V : R Q {\displaystyle RS:RW=PQ:QU=RW:WV=WV:WU=WV:RQ} が分かる。
特に R S : R W = R W : W V = W V : R Q {\displaystyle RS:RW=RW:WV=WV:RQ} に注目する。 P Q : Q R = 1 : 2 {\displaystyle PQ:QR=1:2} よりこれらの比が 1 : 2 3 {\displaystyle 1:{\sqrt[{3}]{2}}} であることが分かる[ 11] 。同様にして、一般に P Q : Q R = a : b {\displaystyle PQ:QR=a:b} のときこれらの比率は a 3 : b 3 {\displaystyle {\sqrt[{3}]{a}}:{\sqrt[{3}]{b}}} となることが分かる。
立方体倍積問題 が定規とコンパスによる作図 では不可能であることから、フィロー線の作図不可能性が証明された[ 7] [ 9] 。
円と双曲線の交点を結ぶ直線として得られるフィロー線 R = ( 0 , 0 ) {\displaystyle R=(0,0)} 、 Q , S {\displaystyle Q,S} をそれぞれ正の x , y {\displaystyle x,y} 軸上の点とすると、 V , P {\displaystyle V,P} の座標はそれぞれ ( a 2 b 3 , a b 2 3 ) , ( a b 2 3 , a 2 b 3 ) {\displaystyle ({\sqrt[{3}]{a^{2}b}},{\sqrt[{3}]{ab^{2}}}),({\sqrt[{3}]{ab^{2}}},{\sqrt[{3}]{a^{2}b}})} となる。つまり、 V , P {\displaystyle V,P} は長方形の外接円 と双曲線 x y = a b {\displaystyle xy=ab} の第一象限上の交点である。紐などを用いて円錐曲線 を描くことができる場合は、これと同様にしてフィロー線を得られる。
面積の最小化 三角形 O E D {\displaystyle OED} の面積 の最小 問題は以下の様に解決される。
D , E {\displaystyle D,E} の座標をそれぞれ ( D x , D y ) , ( E x , E y ) {\displaystyle (D_{x},D_{y}),(E_{x},E_{y})} とする。 △ O E D {\displaystyle \triangle OED} の面積は次の式で表すことができる。
A = D y E x / 2 = m ( α P x − P y ) 2 2 α ( α − m ) {\displaystyle A=D_{y}E_{x}/2={\frac {m(\alpha P_{x}-P_{y})^{2}}{2\alpha (\alpha -m)}}} . ∂ A / ∂ α = 0 {\displaystyle \partial A/\partial \alpha =0} となるような α {\displaystyle \alpha } を見つけることによって、面積は最小化される。
− m ( α P x − P y ) [ ( m P x − 2 P y ) α + P y m ] 2 α 2 ( α − m ) 2 = 0 {\displaystyle -{\frac {m(\alpha P_{x}-P_{y})[(mP_{x}-2P_{y})\alpha +P_{y}m]}{2\alpha ^{2}(\alpha -m)^{2}}}=0} . α = P y / P x {\displaystyle \alpha =P_{y}/P_{x}} は不適であるから、もう一方の解
α = − m P y m P x − 2 P y {\displaystyle \alpha =-{\frac {mP_{y}}{mP_{x}-2P_{y}}}} を採用し、面積の最小値 を得る。
A = 2 P y ( m P x − P y ) m {\displaystyle A={\frac {2P_{y}(mP_{x}-P_{y})}{m}}} .
関連項目
出典 ^ 藤田外次郎『新撰数学講義 下巻』博文館 、1904年、215頁。doi:10.11501/826286。 ^ ウジェーヌ・ルーシェ ,Charles de Comberousse 著、小倉金之助 編『初等幾何学 第1巻 平面之部』山海堂、1913年。doi:10.11501/930885。 ^ 林鶴一 『初等幾何学極大極小問題』大倉書店、1910年、111頁。doi:10.11501/828606。 ^ ジョン・ケージー(英語版) 著、山下安太郎, 高橋三蔵 訳『幾何学続編』有朋堂、1909年。doi:10.11501/828521。 ^ 長沢亀之助 『問題解法幾何学辞典』長沢亀之助、1912年、487頁。doi:10.11501/925384。 ^ “Mécanique et mathématiques à Alexandrie : le cas de Héron”. Bernard Vitrac. 2024年7月27日 閲覧。 ^ a b c d e Howard Eves (1965). “A Survey of Geometry”. Allyn and Bacon (vol2). ^ Wells, David (1911). “Philo's line”. The Penguin Dictionary of Curious and Interesting Geometry. : 182–183. ^ a b Kimberling, Clark (2003). Geometry in action: a discovery approach using the Geometer's Sketchpad . Emeryville, CA: Key College Pub. ISBN 978-1-931914-02-4 ^ Les plus grands scientifiques du bassin méditerranéen, Philon de Byzance ^ Coxeter, H. S. M.; van de Craats, Jan (1993-11). “Philon lines in non-Euclidean planes”. Journal of Geometry 48 (1-2): 26–55. doi:10.1007/bf01226799. ISSN 0047-2468. http://dx.doi.org/10.1007/bf01226799 .
参考文献 Neovius, Eduard (1888). “Ueber eine specielle geometrische Aufgabe des Minimums”. Mathematische Annalen 31 (3): 359–362. doi:10.1007/BF01206220. https://zenodo.org/record/2474460 . Neuberg, J. (1907). “Sur un minimum”. Mathesis : 68–69. Wetterling, W. W. E. (1996). “Philon's line generalized: an optimization problem from geometry”. Journal of Optimization Theory and Applications 90 (3): 517–521. doi:10.1007/BF02189793. MR 1402620. http://doc.utwente.nl/98526/1/art_10.1007_BF02189793.pdf .
外部リンク Weisstein, Eric W. "Philo Line". mathworld.wolfram.com (英語).