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正十五角形の作図

未AC問題 18 / 50正多角形難しさ ★★★★★ マスター

問題:中心O、点Aを通る円に内接し、Aを頂点の1つとする正十五角形について、Aのとなりの頂点を1つ作図しましょう。

道具を選んで、点をタップ(クリック)して作図します。線や円の交点は自動で点になります。何もない所をドラッグすると図を動かせます。

作図の手順

手順を表示する(ネタバレ注意)
  1. OとAを結ぶ直線(直径)を引き、円とのもう1つの交点をEとします。
  2. Aを中心に、Eを通る円をかきます。
  3. Eを中心に、Aを通る円をかきます。
  4. 交点どうしを結ぶと、AEに垂直な直径です。円との交点(上側)をTとします。
  5. Eを中心に、Oを通る円をかき、もとの円との交点をU、Vとします。Uは、Aから120° の位置(正三角形の頂点)です。
  6. UとVを結び、OEとの交点をN(OEの中点)とします。
  7. Nを中心に、Tを通る円をかき、直径AEとの交点(A側)をWとします。TWが正五角形の1辺の長さです。
  8. 「長さを写す」で、TWの長さを半径にしてAを中心とする円をかき、上側の交点をBとします(Aから72°)。
  9. Bを中心に、Aを通る円をかき、もとの円との交点をCとします(Aから144°)。
  10. 「長さを写す」で、UCの長さ(24° の弦)を半径にしてAを中心とする円をかけば、上側の交点Sが求める頂点です。

なぜこれで作図できるのか

解説を表示する(ネタバレ注意)

Eを中心とする半径OEの円ともとの円の交点Uは、OE = EU = OU の正三角形の頂点なので ∠AOU = 120° です。

半径を1とすると ON = 1/2、OT = 1 なので NT = √5/2、OW = (√5 − 1)/2 です。TW² = 1 + OW² = (5 − √5)/2 となり、これは円に内接する正五角形の1辺の長さの2乗です。よって ∠AOB = 72°、∠AOC = 144° です。

∠UOC = 144° − 120° = 24° なので、弦UCを写したSは ∠AOS = 24° = 360° ÷ 15 を満たし、正十五角形のとなりの頂点です。

豆知識

正十五角形の作図は『原論』第4巻の最後の命題(命題16)です。ガウスは、正 n 角形が作図できるのは n が 2 のべき乗とフェルマー素数(3, 5, 17, 257, 65537)のかけ算になっているときだと示しました。15 = 3 × 5 はその例です。

コメント

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