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算額(その790)

2024年03月18日 | Julia

算額(その790)

寛政八年丙辰十一月 丸山因平良玄門人 参州苅屋 林政右衛門盛保 
藤田貞資(1807):続神壁算法

http://www.wasan.jp/jinpeki/zokujinpekisanpo.pdf

十字線を隔てて乾円,坤円,巽円,艮円の4円と,中央に容円を置く。艮円,坤円,巽円の直径がそれぞれ 15 寸,10 寸,6 寸のとき,乾円の直径を求めよ。

容円の半径と中心座標を r0, (x0, y0)
坤円の半径と中心座標を r1, (r1, r1)
乾円の半径と中心座標を r2, (r2, -r2)
巽円の半径と中心座標を r3, (-r3, r3)
艮円の半径と中心座標を r4, (-r4, -r4)
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 r0::positive, x0::negative, y0::positive,
     r1::positive, r2::positive, r3::positive, r4::positive
eq1 = (r1 - x0)^2 + (r1 - y0)^2 - (r0 + r1)^2
eq2 = (r2 - x0)^2 + (-r2 - y0)^2 - (r0 + r2)^2
eq3 = (-r3 - x0)^2 + (r3 - y0)^2 - (r0 + r3)^2
eq4 = (-r4 - x0)^2 + (-r4 - y0)^2 - (r0 + r4)^2
res = solve([eq1, eq2, eq3, eq4], (r2, r0, x0, y0));

4 番目の組が適解であるが,SymPy では簡約化できない長い式になる。

res[4][1] |> println

   sqrt(8*r1^2*r3*r4^2*(r1*r3 - r1*r4 + r3^2 + r3*r4)*(r1^2*r3 + r1^2*r4 + r1*r3^2 + 6*r1*r3*r4 - r1*r3*sqrt(r1^2 + 6*r1*r4 + r4^2) + r1*r4^2 - r1*r4*sqrt(r1^2 + 6*r1*r4 + r4^2) + r3^2*r4 - r3^2*sqrt(r1^2 + 6*r1*r4 + r4^2) + r3*r4^2 - r3*r4*sqrt(r1^2 + 6*r1*r4 + r4^2)) + (r1^3*r3^2 - 2*r1^3*r3*r4 + r1^3*r4^2 + r1^2*r3^3 + 6*r1^2*r3^2*r4 - r1^2*r3^2*sqrt(r1^2 + 6*r1*r4 + r4^2) - 10*r1^2*r3*r4^2 + r1^2*r4^3 + r1^2*r4^2*sqrt(r1^2 + 6*r1*r4 + r4^2) + 4*r1*r3^3*r4 - r1*r3^3*sqrt(r1^2 + 6*r1*r4 + r4^2) + 6*r1*r3^2*r4^2 - r1*r3^2*r4*sqrt(r1^2 + 6*r1*r4 + r4^2) - 2*r1*r3*r4^3 + r3^3*r4^2 - r3^3*r4*sqrt(r1^2 + 6*r1*r4 + r4^2) + r3^2*r4^3 - r3^2*r4^2*sqrt(r1^2 + 6*r1*r4 + r4^2))^2)/(4*r1*r4*(r1*r3 - r1*r4 + r3^2 + r3*r4)) + (-r1^3*r3^2 + 2*r1^3*r3*r4 - r1^3*r4^2 - r1^2*r3^3 - 6*r1^2*r3^2*r4 + r1^2*r3^2*sqrt(r1^2 + 6*r1*r4 + r4^2) + 10*r1^2*r3*r4^2 - r1^2*r4^3 - r1^2*r4^2*sqrt(r1^2 + 6*r1*r4 + r4^2) - 4*r1*r3^3*r4 + r1*r3^3*sqrt(r1^2 + 6*r1*r4 + r4^2) - 6*r1*r3^2*r4^2 + r1*r3^2*r4*sqrt(r1^2 + 6*r1*r4 + r4^2) + 2*r1*r3*r4^3 - r3^3*r4^2 + r3^3*r4*sqrt(r1^2 + 6*r1*r4 + r4^2) - r3^2*r4^3 + r3^2*r4^2*sqrt(r1^2 + 6*r1*r4 + r4^2))/(4*r1*r4*(r1*r3 - r1*r4 + r3^2 + r3*r4))

res[4][2] |> println

   (-r1^3*r3^2 + r1^3*r3*r4 - 2*r1^3*r4^2 - r1^2*r3^3 - 5*r1^2*r3^2*r4 + r1^2*r3^2*sqrt(r1^2 + 6*r1*r4 + r4^2) + 2*r1^2*r3*r4^2 + r1^2*r3*r4*sqrt(r1^2 + 6*r1*r4 + r4^2) - 2*r1^2*r4^3 - 2*r1*r3^3*r4 + r1*r3^3*sqrt(r1^2 + 6*r1*r4 + r4^2) - 5*r1*r3^2*r4^2 + 2*r1*r3^2*r4*sqrt(r1^2 + 6*r1*r4 + r4^2) + r1*r3*r4^3 + r1*r3*r4^2*sqrt(r1^2 + 6*r1*r4 + r4^2) - r3^3*r4^2 + r3^3*r4*sqrt(r1^2 + 6*r1*r4 + r4^2) - r3^2*r4^3 + r3^2*r4^2*sqrt(r1^2 + 6*r1*r4 + r4^2))/(8*r1*r4*(r1*r3 - r1*r4 + r3^2 + r3*r4))

res[4][3] |> println

   (3*r1^3*r3 - r1^3*r4 + 9*r1^2*r3*r4 - r1^2*r3*sqrt(r1^2 + 6*r1*r4 + r4^2) + r1^2*r4^2 - r1^2*r4*sqrt(r1^2 + 6*r1*r4 + r4^2) - 3*r1*r3^3 - 7*r1*r3^2*r4 - r3^3*r4 + r3^3*sqrt(r1^2 + 6*r1*r4 + r4^2) - r3^2*r4^2 + r3^2*r4*sqrt(r1^2 + 6*r1*r4 + r4^2))/(8*r1*(r1*r3 - r1*r4 + r3^2 + r3*r4))

res[4][4] |> println
res[4][4](r1 => 5, r3 => 3, r4 => 7.5).evalf() |> println

   -(r1 + r3)*(r3 - r4)*(r3 + r4)*sqrt(r1^2 + 6*r1*r4 + r4^2)/(8*r4*(r1*r3 - r1*r4 + r3^2 + r3*r4)) + (r3 - r4)*(r1^2*r3 + r1^2*r4 + r1*r3^2 + 8*r1*r3*r4 - r1*r4^2 + 3*r3^2*r4 + 3*r3*r4^2)/(8*r4*(r1*r3 - r1*r4 + r3^2 + r3*r4))

res[4][1](r1 => 5, r3 => 3, r4 => 7.5).evalf() |> println
res[4][2](r1 => 5, r3 => 3, r4 => 7.5).evalf() |> println
res[4][3](r1 => 5, r3 => 3, r4 => 7.5).evalf() |> println
res[4][4](r1 => 5, r3 => 3, r4 => 7.5).evalf() |> println

   10.0000000000000
   2.70833333333333
   0.666666666666667
   -1.37500000000000

まえもって r1, r3, r4 に定数を代入しておいてから解くと数値解が求まる。

@syms r0::positive, x0::negative, y0::positive,
     r1::positive, r2::positive, r3::positive, r4::positive
@syms r0, x0, y0, r1, r2, r3, r4
(r1, r3, r4) = (10, 6, 15) .// 2
eq1 = (r1 - x0)^2 + (r1 - y0)^2 - (r0 + r1)^2
eq2 = (r2 - x0)^2 + (-r2 - y0)^2 - (r0 + r2)^2
eq3 = (-r3 - x0)^2 + (r3 - y0)^2 - (r0 + r3)^2
eq4 = (-r4 - x0)^2 + (-r4 - y0)^2 - (r0 + r4)^2
res = solve([eq1, eq2, eq3, eq4], (r2, r0, x0, y0))

   4-element Vector{NTuple{4, Sym{PyCall.PyObject}}}:
    (-18, -305/8, 17, -207/8)
    (55/2, -305/8, 17, -207/8)
    (-1/2, 65/24, 2/3, -11/8)
    (10, 65/24, 2/3, -11/8)

function draw(more)
    pyplot(size=(500, 500), grid=false, aspectratio=1, label="", fontfamily="IPAMincho")
   (r1, r3, r4) = (10, 6, 15) .// 2
   (r2, r0, x0, y0) = [10, 65/24, 2/3, -11/8]
   plot()
   circle(r1, r1, r1)
   circle(r2, -r2, r2, :blue)
   circle(-r3, r3, r3, :green)
   circle(-r4, -r4, r4, :magenta)
   circle(x0, y0, r0, :orange)
   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(x0, y0, "容円:r0,(x0,y0)", :black, :left, delta=-delta/2)
       point(r1, r1, "坤円:r1,(r1,r1)", :red, :center, delta=-delta/2)
       point(r2, -r2, "乾円:r2,(r2,-r2)", :blue, :center, delta=-delta/2)
       point(-r3, r3, "巽円:r3\n(-r3,r3)", :green, :center, :bottom, delta=delta/2)
       point(-r4, -r4, "艮円:r4\n(-r4,-r4)", :magenta, :center, :bottom, delta=delta/2)
   end
end;

 


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