1 時間目資料

授業資料
古代の難問と曲線

2年組番

氏名
授業者：筑波大学大学院教育研究科

1石井寿一

１、はじめに高速道路などで見られるきれいなカーブ、もちろんいい加減に設計したカーブではありません。これはクロソイド曲線といって、一定速度を保ちながら徐々にハンドルを切っていくとこのようなカーブになります。ドライ
バーの安全を考えて設計されたものです。
みなさんもこれまでにいくつか曲線について学んできたと思います。例えば放物線、サインカーブ、コサインカーブ。放物線は、軸に平行な線は反射すると全て焦点と呼ばれる点を通る性質を持っています。パラボラアンテナはこの性質を利用したものです。また、三角関数の和の形をした級数（フーリエ級数と呼ばれる）を使うと、複雑な周期運動などを表すことができるので、振動や波動の研究に役立ちます。
このように、曲線の持つ性質を応用して何かを作ったり、別の問題を解決したりできるのです。この授業では特別な曲線を通して、昔の数学に触れながら古代の数学の難問に挑んでいきましょう。

2問、 定木とコンパスだけで、これできますか？
a）与えられた直線上に、その上の点において与えられた角に等しい角を作ること
（できる！

できない。

）

b）与えられた点を通り、与えられた直線に平行線をひくこと
（できる！

できない。

）

c）与えられた直線図形に等しい面積の正方形を作ること※「直線図形」とは…線分に囲まれた図形のこと。
（できるできない）

ｄ）与えられた角を三等分すること
（できる！

できない。

）

ｅ）与えられた円の円周に等しい長さの直線をつくること
（できる！

できない。

3）

２、ユークリッドと「原論」● ユークリッド（Ｅｕｃｌｉｄ）
・紀元前 365 年〜紀元前 275 年
・古代ギリシアの数学者、天文学者。
・「ユークリッド原論」の著者● ユークリッド原論『原論』は全部で 13 巻から構成され、467 もの命題を含んでいるので、我々はこの本から、ギリシア古典期の初歩的な数学的知識を全て見出すことができる。この中では結論を一連の命題（証明すべき「定理」と、直線定木とコンパスだけを用いて作図できる「問題」）として提示している。

ユークリッド原論の中で、問ａ）、ｂ）、ｃ）は作図が示されている。
ａ）は第１巻命題２３ｂ）は第１巻命題３１ｃ）は第２巻命題１４（参考として後ろに付けておきます。）

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３、古代ギリシア時代と数学
この授業では古代ギリシアの数学にスポットを当てます。まず当時の数学がどのようなものだったかを考えていこう。

ソフィストたちの研究では次の有名な 3 問題がその焦点となったが、どれもみな定木とコンパスだけを使用して作図する問題であった。
(1)任意の角あるいは円弧を三等分すること。

(2)立方体の倍積問題。すなわち、与えられた立方体の 2 倍の体積を有する立方体を作ること。
２ＶＶ(3)円積問題。すなわち、与えられた円の面積と、まったく等しい面積を有する正方形を作ること。

πｒ2

πｒ2

およそ数学の問題のなかで、これらの 3 問題ほど、長いあいだ熱心に根気よく論究されたものはないであろう。ギリシア人の最高の知力はこれに傾けられ、文芸復興時代の最大の数学者たちもこの問題に取り組んだ。教養あるなしに関わらず、賢者、奇人を問わず、いろいろの人々がこれらの問題を征服しようとした。時代の知能をしぼって試みられたが、回答を得るに至らなかった。ついにこれらの問題は、ギリシア人の設けた作図の約束に束縛されるかぎりでは、どうしても解くことができないだろうというように考えられてきた。
この予想は、後になって厳密な証明を得て、確証された。
（小倉金之助補訳

カジョリ初等数学史より）※ソフィスト…ギリシア時代に登場した職業教師。教授に対して報酬を受け取った。彼らは主として修辞学を教えたのであるが、そのほかに哲学、数学および天文学も教授した。

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４、アルキメデスの業績●アルキメデス（BC287 年〜BC212 年）
・アレクサンドリアで数年学んだ後出生地であるシラクサに戻り終生故郷で過ごした。
・数学だけでなく、天文学、流体力学、機械学、工学一般など幅広い分野に関心を持っていた。
・主な著作『円の計測』『球と円柱について』『螺線について』●『螺線について』
アルキメデスが研究した曲線「アルキメデス螺線」について述べられている。７つの定義と２８の命題からなる。この授業のメインテーマ。

５、アルキメデス螺線の定義
原典：アルキメデス著『螺線について』より『螺線について』

定義１〜７（「Ａｒｃｈｉｍｅｄｅ」２巻より）6

《日本語訳》

定義
１、もし直線が平面に引かれ、その一端が固定されたまま、その直線が一様な速さで何回か回転して、それが出発した位置に再び戻ってくるとし、そして直線が回転すると同時に、ある点が固定された端点から、その直線上を一様な速さで運動するならば、その点は平面上に螺線を描くであろう。
２、それから、直線が回転しているときに固定されている直線の端点が、螺線の原点と呼ばれるとせよ。
３、そして、直線が回転を始めた線の位置が、回転の原線と呼ばれるとせよ。
４、直線に沿って動く点が、第 1 回転の間に通過する線分が第１線分と呼ばれ、その同じ点が、第 2 回転の間に通過する線分が第２線分と呼ばれ、以下同様に、回転数に従って呼ばれるとせよ。
５、第 1 回転で描かれた螺線と、第 1 線分によって囲まれた面積が第 1 面積と呼ばれ、第 2 回転で描かれた螺線と、第 2 線分によって囲まれた面積が第 2面積と呼ばれ、以下同様に呼ばれるとせよ。
６、もし螺線の原点である点から、ある直線が引かれると、回転が生じるのと同じ側にある方が前方と呼ばれ、他の側にある方が後方と呼ばれるとせよ。
７、螺線の原点である点を中心とし、第 1 線分を半径として描かれた円が、第 1円と呼ばれ、同じ点を中心とし、2 倍の半径で描かれた円が、第 2 円と呼ばれ、以下同様にこのように呼ばれるとせよ。

（「数学の歴史Ⅰ ギリシャの数学」共立出版

7より）

問、定義 1 にしたがってアルキメデス螺線の概形を描いてみよう。

O8xO

9x問、定義２〜７で定められた螺線の各名称を当てはめてみよう。

①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩10６、アルキメデス螺線の性質
再び定義 1 より「もし直線が平面に引かれ、その一端が固定されたまま、その直線が一様な速さで何回か回転して、それが出発した位置に再び戻ってくるとし、そして直線が回転すると同時に、ある点が固定された端点から、その直線上を一様な速さで運動するならば、その点は平面上に螺線を描くであろう。
」

例えば、１秒間で直線がπ3だけ回転し、ある点が端点から直線上を距離ａだけ移動するな

らば、２秒間では直線がだけ回転し、ある点は端点から直線上を距離だけ移動する。
１秒後

ａ

２秒後

π?

？

3

回転した角度と、直線上を運動した距離は、回転時間に比例。
回転した角度と、直線上を運動した距離の比は一定。

点 O を螺線の原点、線分 OA を回転の原線とし、P１、P２は螺線上の点。

P２

P1

O P１=ｒ１、O P２=ｒ２、∠AO P１=θ１、∠AO P２=θ２
θ２とすると、ｒ１,ｒ２,θ１,θ２の関係は

θ1Oと表すことができる。

11A

『螺線について』

命題１２

もし任意の１回転で描かれた螺線に、その螺線の原点から、互いに等しい角をつくる任意個の線分が置かれるならば、それらは互いを等しいだけ凌駕する。

つまり、右図のような場合ではAΓ−AB＝AΔ−AΓということ。

問、アルキメデスの証明を追って空欄を埋め、証明を完成させよう。

なぜなら、回転する線が、ＡＢからＡΓに達する時間に、その直線に沿って動く点は、ΓＡが ①ＡＢを凌駕する差を通過する。そして、ＡΓからＡΔに達する時間に、ＡΔが ②ＡΓを凌駕する差を通過する。ところで、角が等しいので、回転する線は、ＡＢからＡΓまでとＡΓから ③ＡΔまでと、等しい時間で達する。したがって、その直線に沿って動く点は、ΓＡがＡＢを凌駕する差と、ＡΔが ④ＡΓを凌駕する差を、等しい時間で通過する。ゆえに、ＡΓはＡＢを、ＡΔはＡΓを、等しいだけ凌駕する。そして、残りも同様である。

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７、角の 3 等分問題
任意の角あるいは円弧を三等分すること

ギリシア人が直角以外の角を 3 等分する問題に出くわしたのは、疑いもなく、辺が 9 ま
たは 9 の倍数の正多角形を円に内接させようと企てたときであった。
（Ｔ･Ｌ･ヒース著

ギリシア数学史）

また、「角の２等分」「線分の２等分」「線分の３等分」は定木とコンパスのみで作図することが可能だったので、「角の３等分」もできるだろうと考えたのかもしれません。

しかし、アルキメデス螺線を使えば、あとは定木とコンパスだけで角を３等分することができます！

Ox13

８、アルキメデス螺線による角の 3 等分線の作図

問、点 O は螺線の原点、直線ＯＡは螺線の原線。点Ｏを頂点とする角を作成し、その角を３等分しよう。その際、直線ＯＡが角を構成する１辺となるように作成すること。
※角を構成するもう１つの辺は、螺線と交点を持つように描いてください。

O

14A

参考 ユークリッド原論《第１巻命題２３》《第１巻命題３１》

補足：ここでは錯角が等しいことが前提となっているが、前の命題ですでに証明されている。その証明は省略する。

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《第２巻命題１４》

補足：ここでは与えられた直線図形に等しい面積の直角平行四辺形(長方形)を作ることができることが前提だが、前の命題からそれが可能であることが示される。その証明は省略する。

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