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法線をぜんぶ引くと星が浮かぶ(楕円の縮閉線)

楕円の法線を、接点を少しずつずらしながら何十本も引きます。線そのものは直線なのに、密になったところに星形の輪郭が浮かび上がる。

この輪郭を縮閉線といいます[1]。楕円の縮閉線は、アステロイドと呼ばれる星形を縦横に伸ばした曲線です[2]

法線の方程式

での接線は で、傾きは でした[3]

法線はこれと直交するので、傾きは逆数の符号を変えた 。点を通る条件と合わせると、次の形にまとまります。

右辺は です。 を代入すると になり、たしかに通っている。

媒介変数で と書くと、 という形になります。

法線はどこも通らない

円なら法線は必ず中心を通ります。楕円には、そういう共通点がない。

法線が 軸を切る位置を見ます。 とおくと

これは にあたる点で、接点を選び直すたびに動きます。焦点でも中心でもない。

共通点を持たないぶん、法線どうしは少しずつずれた場所で交わります。交点が集まってできる曲線を縮閉線と呼ぶ。

円の法線が 1 点で交わるのは、どの法線も中心を通るからです。

楕円では通りません。交わる位置が接点ごとに変わり、その集まりが 1 本の曲線になります。

例:2 本の法線を交わらせる

で、 の法線を作ります。

の接点は 。法線は になります。

の接点は で、法線は

連立して解くと交点は あたり。楕円の外ではなく、中心の近くに落ちます。

2 つの を近づけると、交点は の縮閉線の点 へ寄っていく。包絡線とはそういう極限のことです。

縮閉線の式

法線の族が包む曲線は、媒介変数で書けます[2]

を消すと、 分の 乗が並ぶ式になります。

の円なら右辺が になり、曲線は原点 1 点につぶれます。円の法線が中心で交わることと同じ。

が離れるほど星は大きくなる。 が全体の大きさを決めています。

尖った 4 つの点

で、縮閉線は尖ります。

尖点の座標は 。楕円の頂点と同じ向きに並びます。

なら で、尖点は 。楕円よりずっと小さな星になる。

曲率半径との関係

縮閉線は、曲率中心が動いた跡でもあります[1]。各点で楕円にいちばんよく寄りそう円の、中心の軌跡。

その円の半径が曲率半径です。楕円では次の形になります。

長軸の端では なので 。半直弦と同じ値です[4]

短軸の端では 。こちらのほうが大きく、平らな部分ほど円が大きい。

例: で数える

なので、縮閉線は

長軸の端 での曲率半径は 。曲率中心は の位置で、これが尖点と一致します。

短軸の端 では曲率半径が 。中心は で、こちらも尖点。

長軸の端のほうが曲がりがきつく、寄りそう円が小さい。楕円のいちばん曲がった場所です。

円に戻す変換は使えない

楕円の面積の問題では、円を縦に縮める変換が効きました。ところが縮閉線では、この手が通りません。

縮める変換は角度を保たないためです。円の法線を写しても、楕円の法線にはならない。

直角が直角のまま写らないので、垂直に関わる話は円へ戻せません。面積と比だけが持ち帰れる量でした。

法線は何本引けるか

楕円の外の点から法線を引くと、何本引けるでしょうか。答えは点の位置で変わります。

縮閉線の内側にある点からは 4 本、外側からは 2 本。縮閉線が境目になっています。

包絡線をまたぐと接し方の数が変わる、という一般の話がここにも出てきます。星の内側では、法線が 4 通りの向きから届く。

接線の族

包むのは楕円そのもの。曲線がそのまま現れる

法線の族

包むのは星形の縮閉線。もとの楕円とは別の曲線が現れる

双曲線と放物線でも

双曲線 の法線は 。符号が 2 か所で変わります。

放物線 の法線は と、傾き で書くと便利です。

放物線の縮閉線は という半立方放物線。尖点は の 1 か所だけです。

つまずきやすいところ

法線の傾きを としてしまう誤りが多いところ。接線の傾きの逆数をとり、符号を変えます。

では分母が になるので、頂点での法線は別に扱う。長軸上の点なら法線は 軸そのものです。

縮閉線と包絡線を同じ言葉で呼ばない。包絡線は族が包む曲線の総称で、縮閉線は法線の族に限った呼び名です。

の縮閉線の尖点のうち、 軸の上にあるものはどれですか。

__RESULT__

です。 は焦点、 は楕円の頂点にあたります。

曲率半径も確かめます。

の点 における曲率半径はどれですか。

__RESULT__

長軸の端では です。 は短軸の端での値になります。

接線が楕円を包み、法線が星を包む。線を 1 本ずつ引いて眺めると、式の裏にある形が見えてきます。

参考

Evolute. Wolfram MathWorld.
Ellipse Evolute. Wolfram MathWorld.
Jean-Marc Decauwert. *Coniques*. Maths en Ligne, Université Joseph Fourier, Grenoble.
Ellipse. Wolfram MathWorld.
楕円の法線を何十本も引くと、線の密なところに星形の縁が現れます。これが縮閉線で、式は $(ax)^{2/3} + (by)^{2/3} = (a^2-b^2)^{2/3}$。アステロイドを縦横に伸ばした形です。円なら法線が全部中心を通るので 1 点につぶれる。尖点は $\pm c^2/a$ と $\mp c^2/b$ にあり、長軸の端の曲率半径 $b^2/a$ が半直弦と同じ値になります。外の点から法線が 4 本引けるか 2 本かも、この星が境目です。