y=1−xx3 ディオクレスのシッソイド y=1−xx3
y=1−xx3 は、ディオクレスのシッソイドの上半分です1。両辺を 2 乗した y2(1−x)=x3 が曲線の方程式で、紀元前 2 世紀ごろのギリシアの数学者ディオクレスが、立方体倍積問題を解くために考案しました。シッソイドという名はギリシア語の「ツタの葉に似た」に由来します。
定義域と値域
- 定義域は 0≤x<1
- 値域は y≥0
- 単調に増加する
- 下半分とあわせた曲線全体は x 軸に対称
| x の範囲 | 分子 x3 | 分母 1−x | 根号の中 |
|---|
| x<0 | 負 | 正 | 負(不可) |
| 0≤x<1 | 0 以上 | 正 | 0 以上 |
| x>1 | 正 | 負 | 負(不可) |
原点の尖点
原点の近くでは 1−x≈1 なので y≈x3/2 とふるまい、y′=23x1/2→0 となります。したがって原点での接線は x 軸ですが、上下の二つの枝が同じ向きから入ってくるため、なめらかにはつながりません。原点は尖点です。
単調性と漸近線
y2=1−xx3 の両辺を微分すると 2yy′=(1−x)2x2(3−2x) となり、0<x<1 では右辺が正なので単調に増加します。x→1− では分母が 0 に近づいて y→+∞ となるため、直線 x=1 が垂直漸近線です。曲線は原点から出て、この漸近線に沿って上へ伸びていきます。
幾何学的な作り方
直径 1 の円 x2+y2=x と、その円に (1,0) で接する直線 x=1 を用意します。原点から出る半直線が円と交わる点を Q、直線と交わる点を R とし、原点からの距離が線分 QR の長さに等しい点 P をとると、P の軌跡がシッソイドです。
実際 OQ=cosθ、OR=secθ なので OP=secθ−cosθ となり、極方程式は次の形になります。
r=cosθsin2θ 立方体倍積問題
与えられた立方体の体積を 2 倍する、つまり 32 を作図する問題は、定規とコンパスだけでは解けないことが知られています2。ディオクレスはこの曲線を使って解きました。
曲線上の点では次が成り立ちます。
(xy)3=x3y3=y2(1−x)y3=1−xy そこで点 (1,0) と点 (0,2) を結ぶ直線 y=2(1−x) との交点をとれば、右辺は 2 になり、比 xy がちょうど 32 になります。(0,k) に変えれば同じ手順で 3k が得られます。
放物線との関係
原点を中心とする半径 1 の反転、すなわち点 P を同じ半直線上の OP⋅OP′=1 となる点 P′ に移す変換でこの曲線を写すと、放物線 y2=x になります。逆にいえば、シッソイドは放物線をその頂点を中心に反転した曲線です。1 本の漸近線と 1 個の尖点をもつ三次曲線として、ニュートンによる三次曲線の分類にも現れます。
- Cissoid of Diocles、Wikipedia
- Doubling the cube、Wikipedia