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算額(その575)

2023年12月19日 | Julia

算額(その575)

福岡県久留米高良山者
藤田貞資(1789): 神壁算法

http://hyonemitsu.web.fc2.com/Korataisha.pdf

外円内に斜線を隔てて甲円 1 個,乙円 2 個,丙円 1 個がある。外円,甲円,丙円の直径が 60 寸,20 寸,28 寸のとき,乙円の直径はいかほどか。

外円の半径と中心座標を R, (0, 0)
甲円の半径と中心座標を r1, (0, R - r1)
乙円の半径と中心座標を r2, (x, y)
丙円の半径と中心座標を r3, (0, r3 - R)
斜線と外円の交点座標を (x1, sqrt(R^2 - x1^2)), (x2, -sqrt(R^2 - x2^2))
とおき,以下の連立方程式を解く。

include("julia-source.txt");

using SymPy
@syms R::positive, r1::positive, r2::positive, x::positive, y::positive,
     r3::positive, x1::positive, x2::positive

(R, r1, r3) = (60, 20, 28) .// 2
eq1 = distance(-x1, sqrt(R^2 - x1^2), x2, -sqrt(R^2 - x2^2), 0, R - r1)  - r1^2
eq2 = distance(-x1, sqrt(R^2 - x1^2), x2, -sqrt(R^2 - x2^2), x, y) - r2^2
eq3 = distance(-x1, sqrt(R^2 - x1^2), x2, -sqrt(R^2 - x2^2), 0, r3 - R) - r3^2
eq4 = distance(-x2, -sqrt(R^2 - x2^2), x1, sqrt(R^2 - x1^2), x, y) - r2^2
eq5 = x^2 + y^2 - (R - r2)^2;
# res = solve([eq1, eq2, eq3, eq4, eq5], (r2, x2, y2, x1, x2))

using NLsolve

function nls(func, params...; ini = [0.0])
   if typeof(ini) <: Number
       r = nlsolve((vout, vin) -> vout[1] = func(vin[1], params..., [ini]), ftol=big"1e-40")
       v = r.zero[1]
   else
       r = nlsolve((vout, vin)->vout .= func(vin, params...), ini, ftol=big"1e-40")
       v = r.zero
   end
   return v, r.f_converged
end;

function H(u)
   (r2, x, y, x1, x2) = u
   return [
       (20 - (-x1^2*sqrt(900 - x2^2) - 20*x1^2 + x1*x2*sqrt(900 - x1^2) - x1*x2*sqrt(900 - x2^2) + x2^2*sqrt(900 - x1^2) - 20*x2^2 + 40*sqrt(900 - x1^2)*sqrt(900 - x2^2) + 36000)/(2*(x1*x2 + sqrt(900 - x1^2)*sqrt(900 - x2^2) + 900)))^2 + (-x1*(x1*x2 + sqrt(900 - x1^2)*sqrt(900 - x2^2) + 900) + (x1 + x2)*(x1*x2 + sqrt(900 - x1^2)*sqrt(900 - x2^2) - 20*sqrt(900 - x1^2) - 20*sqrt(900 - x2^2) + 900)/2)^2/(x1*x2 + sqrt(900 - x1^2)*sqrt(900 - x2^2) + 900)^2 - 100,  # eq1
       -r2^2 + (x - (-x1*(x1*x2 + sqrt(900 - x1^2)*sqrt(900 - x2^2) + 900) + (x1 + x2)*(x*x1 + x*x2 + x1*x2 - y*sqrt(900 - x1^2) - y*sqrt(900 - x2^2) + sqrt(900 - x1^2)*sqrt(900 - x2^2) + 900)/2)/(x1*x2 + sqrt(900 - x1^2)*sqrt(900 - x2^2) + 900))^2 + (y - (2*sqrt(900 - x1^2)*(x1*x2 + sqrt(900 - x1^2)*sqrt(900 - x2^2) + 900) - (sqrt(900 - x1^2) + sqrt(900 - x2^2))*(x*x1 + x*x2 + x1*x2 - y*sqrt(900 - x1^2) - y*sqrt(900 - x2^2) + sqrt(900 - x1^2)*sqrt(900 - x2^2) + 900))/(2*(x1*x2 + sqrt(900 - x1^2)*sqrt(900 - x2^2) + 900)))^2,  # eq2
       (-16 - (-x1^2*sqrt(900 - x2^2) + 16*x1^2 + x1*x2*sqrt(900 - x1^2) - x1*x2*sqrt(900 - x2^2) + x2^2*sqrt(900 - x1^2) + 16*x2^2 - 32*sqrt(900 - x1^2)*sqrt(900 - x2^2) - 28800)/(2*(x1*x2 + sqrt(900 - x1^2)*sqrt(900 - x2^2) + 900)))^2 + (-x1*(x1*x2 + sqrt(900 - x1^2)*sqrt(900 - x2^2) + 900) + (x1 + x2)*(x1*x2 + sqrt(900 - x1^2)*sqrt(900 - x2^2) + 16*sqrt(900 - x1^2) + 16*sqrt(900 - x2^2) + 900)/2)^2/(x1*x2 + sqrt(900 - x1^2)*sqrt(900 - x2^2) + 900)^2 - 196,  # eq3
       -r2^2 + (x - (-x2*(x1*x2 + sqrt(900 - x1^2)*sqrt(900 - x2^2) + 900) + (x1 + x2)*(x*x1 + x*x2 + x1*x2 + y*sqrt(900 - x1^2) + y*sqrt(900 - x2^2) + sqrt(900 - x1^2)*sqrt(900 - x2^2) + 900)/2)/(x1*x2 + sqrt(900 - x1^2)*sqrt(900 - x2^2) + 900))^2 + (y - (-2*sqrt(900 - x2^2)*(x1*x2 + sqrt(900 - x1^2)*sqrt(900 - x2^2) + 900) + (sqrt(900 - x1^2) + sqrt(900 - x2^2))*(x*x1 + x*x2 + x1*x2 + y*sqrt(900 - x1^2) + y*sqrt(900 - x2^2) + sqrt(900 - x1^2)*sqrt(900 - x2^2) + 900))/(2*(x1*x2 + sqrt(900 - x1^2)*sqrt(900 - x2^2) + 900)))^2,  # eq4
       x^2 + y^2 - (30 - r2)^2,  # eq5
   ]
end;

iniv = BigFloat[29, 40, 12, 21, 28] .* (30/70)
res = nls(H, ini=iniv)

   (BigFloat[12.50000000000000000000000000000000000000000000000000000001913542531009364124636, 16.77050983124842272306880251548457176580463769708644293204781524730502299339952, 4.999999999999999999999999999999999999999999999999999999963738320809945557470043, 17.39163982499836430540468409013214849787147613031186674435362589343567963493901, 22.3606797749978969640917366873127623544061835961152572427143001079596068757832], true)

乙円の直径は 25 寸である。

その他のパラメータは以下の通り。
乙円の直径 = 25;  r2 = 12.5;  x = 16.7705;  y = 5;  x1 = 17.3916;  x2 = 22.3607

function draw(more=false)
   pyplot(size=(500, 500), grid=false, aspectratio=1, label="", fontfamily="IPAMincho")
   (R, r1, r3) = (60, 20, 28) .// 2
   (r2, x, y, x1, x2) = res[1]
   @printf("乙円の直径 = %g;  r2 = %g;  x = %g;  y = %g;  x1 = %g;  x2 = %g\n", 2r2, r2, x, y, x1, x2)
   plot()
   circle(0, 0, R)
   circle(0, R - r1, r1, :blue)
   circle(x, y, r2, :magenta)
   circle(-x, y, r2, :magenta)
   circle(0, r3 - R, r3, :green)
   segment(-x1, sqrt(R^2 - x1^2), x2, -sqrt(R^2 - x2^2), :gray)
   segment(x1, sqrt(R^2 - x1^2), -x2, -sqrt(R^2 - x2^2), :gray)
   if more
       delta = (fontheight = (ylims()[2]- ylims()[1]) / 500 * 10 * 2) /3  # size[2] * fontsize * 2
       hline!([0], color=:black, lw=0.5)
       vline!([0], color=:black, lw=0.5)
       point(0, R - r1, " 甲円:r1\n (0,R-r1)", :blue, :left, :vcenter)
       point(0, r3 - R, " 丙円:r1\n (0,r3-R)", :green, :left, :vcenter)
       point(x, y, "乙円:r2,(x,y)", :magenta, :center, :top, delta=-delta/2)
       point(x1, √(R^2 - x1^2), "(x1,√(R^2 - x1^2))", :black, :center, :bottom, delta=delta/2)
       point(x2, -√(R^2 - x2^2), "(x2,-√(R^2 - x2^2))", :black, :center, :bottom, delta=delta/2)
   end
end;


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