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算額(その813)

2024年03月26日 | Julia

算額(その813)

藤田貞資:精要算法(下巻),天明元年(1781)
http://www.wasan.jp/seiyou/seiyou.html

不等辺三角形内に全円,大円,中円,小円を入れる。大円,中円,小円の直径がそれぞれ 256 寸,225 寸,144 寸のとき,全円の直径はいかほどか。

底辺の長さ a,頂点の座標を (b, h)
全円の半径と中心座標を r0, (x0, r0)
大円の半径と中心座標を r1, (x1, r1)
中円の半径と中心座標を r2, (x2, r2)
小円の半径と中心座標を r3, (x3, y3)
とおき,以下の連立方程式を解く。

include("julia-source.txt");
# julia-source.txt ソース https://blog.goo.ne.jp/r-de-r/e/ad3a427b84bb416c4f5b73089ae813cf

using SymPy
@syms a::positive, b::positive, h::positive,
     r0::positive, x0::positive,
     r1::positive, x1::positive,
     r2::positive, x2::positive,
     r3::positive, x3::positive, y3::positive,
     d
eq1 = (x1 - x2)^2 + (r1 - r2)^2 - (r1 + r2)^2
eq2 = (x1 - x3)^2 + (y3 - r1)^2 - (r1 + r3)^2
eq3 = (x3 - x2)^2 + (y3 - r2)^2 - (r2 + r3)^2
eq4 = (a + sqrt(b^2 + h^2) + sqrt((a - b)^2 + h^2))r0 - a*h
eq5 = r0/(a - x0) - r1/(a - x1)
eq6 = r0/x0 - r2/x2
eq7 = dist(0, 0, b, h, x2, r2) - r2^2
eq8 = dist(0, 0, b, h, x3, y3) - r3^2
eq9 = dist(a, 0, b, h, x3, y3) - r3^2;

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 Float64.(v), r.f_converged
end;

function H(u)
   (a, b, h, x0, r0, x1, x2, x3, y3) = u
   return [
       (r1 - r2)^2 - (r1 + r2)^2 + (x1 - x2)^2,  # eq1
       (-r1 + y3)^2 - (r1 + r3)^2 + (x1 - x3)^2,  # eq2
       (-r2 + y3)^2 - (r2 + r3)^2 + (-x2 + x3)^2,  # eq3
       -a*h + r0*(a + sqrt(b^2 + h^2) + sqrt(h^2 + (a - b)^2)),  # eq4
       r0/(a - x0) - r1/(a - x1),  # eq5
       r0/x0 - r2/x2,  # eq6
       -r2^2 + (-b*(b*x2 + h*r2)/(b^2 + h^2) + x2)^2 + (-h*(b*x2 + h*r2)/(b^2 + h^2) + r2)^2,  # eq7
       -r3^2 + (-b*(b*x3 + h*y3)/(b^2 + h^2) + x3)^2 + (-h*(b*x3 + h*y3)/(b^2 + h^2) + y3)^2,  # eq8
       -r3^2 + (-h*(h*y3 + (-a + b)*(-a + x3))/(h^2 + (-a + b)^2) + y3)^2 + (-a + x3 - (-a + b)*(h*y3 + (-a + b)*(-a + x3))/(h^2 + (-a + b)^2))^2,  # eq9
   ]
end;

(r1, r2, r3) = (256, 225, 144) .// 2
iniv = BigFloat[1000, 355, 358, 385, 162, 513, 269, 368, 269]
res = nls(H, ini=iniv)
res |> println
2res[1][5] |> println

   ([1014.0, 354.88757396449705, 357.8698224852071, 384.0, 160.0, 510.0, 270.0, 367.9881656804734, 268.8284023668639], true)
   320.0

大円,中円,小円の直径がそれぞれ 256 寸,225 寸,144 寸のとき,全円の直径は 320 寸である。

その他のパラメータは以下のとおりである。

a = 1014;  b = 354.888;  h = 357.87;  x0 = 384;  r0 = 160;  x1 = 510;  x2 = 270;  x3 = 367.988;  y3 = 268.828

function draw(more)
    pyplot(size=(500, 500), grid=false, aspectratio=1, label="", fontfamily="IPAMincho")
   (r1, r2, r3) = (256, 225, 144) .// 2
   (a, b, h, x0, r0, x1, x2, x3, y3) = res[1]
   @printf("全円の直径 = %g\n", 2r0)
   @printf("a = %g;  b = %g;  h = %g;  x0 = %g;  r0 = %g;  x1 = %g;  x2 = %g;  x3 = %g;  y3 = %g\n", a, b, h, x0, r0, x1, x2, x3, y3)
   plot([0, a, b, 0], [0, 0, h, 0], color=:black, lw=0.5)
   circle(x0, r0, r0, :orange)
   circle(x1, r1, r1, :blue)
   circle(x2, r2, r2, :green)
   circle(x3, y3, r3)
   if more == true
       delta = (fontheight = (ylims()[2]- ylims()[1]) / 500 * 10 * 2) /3  # size[2] * fontsize * 2
       hline!([0], color=:gray80, lw=0.5)
       vline!([0], color=:gray80, lw=0.5)
       point(x0, r0, " 全円:r0,(x0,r0)", :black, :left, :vcenter)
       point(x1, r1, "大円:r1\n(x1,r1)", :blue, :center, delta=-delta)
       point(x2, r2, "中円:r2\n(x2,r2)", :green, :center, delta=-delta)
       point(x3, y3, " 小円:r3,(x3,y3)", :red, :left, :vcenter)
       point(a, 0, " a", :black, :left, :bottom, delta=delta)
       point(b, h, "(b,h)", :black, :left, :bottom, delta=delta)
   end
end;

 


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