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糸と折り紙で二次曲線を作る……包絡線としての見方

紙に円を描き、内側に点 を打ちます。円周上の点 にぴったり重ねて、紙を折る。

を少しずつずらしながら何十回も折ると、折り目の重なりの中に楕円が浮かび上がります[1]。折り目の 1 本 1 本が、その楕円の接線です。

折り目は垂直二等分線

が重なるように折ると、折り目は線分 の垂直二等分線になります。

折り目の上のどの点 も、 を満たす。ここが出発点です。

楕円が出てくる理由

円の中心を 、半径を とします。折り目と半径 の交点を とする。

は半径の上にあるので 。ここに を入れます。

距離の和が一定。 を焦点とする楕円の定義そのものです[2]

折り目の上でこの条件を満たすのは の 1 点だけ。ほかの点では和が より大きくなるので、折り目は楕円の外側にあります。

1 点だけで触れて、あとは外にいる。それが接線です[1]

折り目が接線になるのは、楕円と 1 点だけを共有するからです。

折り目上のほかの点では になり、楕円の外へ出ます。

点が円の外なら双曲線

を円の外に打って同じことをします。すると折り目が包むのは双曲線[1]

今度は という引き算の形になり、差が一定という条件が出ます。

が円の内にあるか外にあるかで、楕円と双曲線が切りかわる。円周上に置けば、折り目はすべて 1 点を通ります。

円を直線に替えると放物線

円ではなく 1 本の直線 を引き、その上の点 に重ねて折ります。

出てくるのは放物線で、 が焦点、 が準線[1]。円の半径を無限に大きくした極限、と見られます。

折り目が接線になる理由も同じです。放物線の接線は を二等分するので、 を入れかえる折り目とぴったり重なります[3]

式で確かめる

準線を 、焦点を とします。準線上の点を とする。

中点は の向きは 。垂直二等分線の式は次のようになります。

いっぽう の点 における接線を書くと、まったく同じ式が出ます。

折り目が接線だと、計算でも確かめられました。 なら折り目は で、接点は です。

包絡線という言葉

直線を何本も引くと、線の混みぐあいで縁ができます。この縁を、直線の族の包絡線と呼ぶ。

包絡線は族のどの直線とも接する曲線。折り紙で出てくる楕円や放物線は、折り目の族の包絡線です[1]

法線の族が包む星形も同じ考え方。曲線が線の集まりから浮かぶ、という点で仲間です。

包絡線を式で出す

族を と書き、 で微分した式と連立します。

放物線の場合なら で、 について微分すると

を代入して 、つまり 。もとの放物線が戻りました。

糸とピンの作図

折り紙が接線から作るのに対して、糸を使う作り方は点から作ります。

2 本のピンに糸の輪をかけ、鉛筆で内側から張って一周させる。 が糸の長さで一定なので、描かれるのは楕円です[4]

庭師が花壇の楕円を引くのに使う手で、定義をそのまま道具にしています。

双曲線を糸で引く

双曲線にも糸の作図があります。長い定規を で回るように留め、糸の一端を定規の先に、もう一端を に結ぶ。

糸を定規に沿わせて鉛筆で押さえると、 が「定規の長さ引く糸の長さ」で一定になります。

差が一定なので双曲線。楕円が和、双曲線が差、という定義の違いが、道具の違いにそのまま出ています。

折り紙で作る

接線を集める。曲線そのものは線の縁として見える

糸で作る

点を直接たどる。曲線が鉛筆の跡として出る

つまずきやすいところ

折り目は の垂直二等分線であって、 を結ぶ直線ではありません。折るときにできる線は、結ぶ線と直交する。

円の内側に を置いたつもりで、円周の外に出てしまうと双曲線になります。位置を確かめてから折る。

包絡線は曲線であって、折り目そのものではない。どの折り目も曲線の一部にはなりません[3]

円の内側の点 に円周上の点を重ねて折ったとき、折り目が包む曲線はどれですか。

  • と円の中心を焦点とする楕円
  • を中心とする円
  • を焦点とする放物線
__RESULT__

が出るので楕円です。放物線になるのは、円ではなく直線を使ったときになります。

作図の道具も確かめます。

2 本のピンに糸をかけて鉛筆で張ると、どんな曲線が描けますか。

  • 双曲線
  • 楕円
  • 放物線
__RESULT__

が糸の長さで一定になるためです。差が一定になる仕掛けにすると双曲線が描けます。

紙を折る。糸を張る。どちらも定義を手の動きに置きかえたもので、式を書く前に曲線の性質を体で確かめられます。

参考

Jean-Marc Decauwert. *Coniques*. Maths en Ligne, Université Joseph Fourier, Grenoble.
Daniel Perrin. *Un memento sur les coniques*. Université Paris-Saclay.
*Kegelschnitte*. linalg.ch.
Optical Property of Ellipse. Cut The Knot.
円の内側に点 $\mathrm{F}$ を打ち、円周上の点を $\mathrm{F}$ に重ねて何十回も折ると、折り目の縁に楕円が浮かびます。折り目は垂直二等分線なので $\mathrm{PH} = \mathrm{PF}$ になり、半径との交点で和が $2a$ に固定されるためです。$\mathrm{F}$ を円の外に置けば双曲線、円を直線に替えれば放物線。折り目の式が接線の式と一致すること、$t$ で微分して包絡線を出す手順、糸とピンで引く作図まで。