算額あれこれ

算額問題をコンピュータで解きます

算額(その437)

橘田彌曾八元克 天明八年戊申2月(1788)

藤田貞資(1789):神壁算法巻上
http://www.wasan.jp/jinpeki/jinpekisanpo1.pdf
キーワード:円7個,外円
#Julia #SymPy #算額 #和算 #数学


大円の中に,甲,乙,丙,丁,戊,己の 6 個の円が入っている。丁円,戊円,己円の直径がそれぞれ 872.3 寸,671 寸,572 寸のとき,大円の直径はいかほどか。

(必要ならば)己円の中心が \(y\) 軸上に来るように回転する。中心の \(x\) 座標が 0 になる。
大円の半径と中心座標を \(r_0, (0, 0)\)
甲円の半径と中心座標を \(r_1, (x_1, y_1)\)
乙円の半径と中心座標を \(r_2, (x_2, y_2)\)
丙円の半径と中心座標を \(r_3, (x_3, y_3)\)
丁円の半径と中心座標を \(r_4, (x_4, y_4); r_4 = 872.3/2\)
戊円の半径と中心座標を \(r_5, (x_5, y_5);  r_5 = 671/2\)
己円の半径と中心座標を \(r_6, (x_6, y_6);  r_6 = 572/2, x_6 = 0\)
として以下の連立方程式の数値解を求める。

include("julia-source.txt");  # julia-source.txt ソース

using SymPy
@syms r0,
      r1, x1, y1, r2, x2, y2, r3, x3, y3,
      r4, x4, y4, r5, x5, y5, r6, x6, y6

eq1 = x1^2 + y1^2 - (r0 - r1)^2
eq2 = x2^2 + y2^2 - (r0 - r2)^2
eq3 = x3^2 + y3^2 - (r0 - r3)^2
eq4 = x4^2 + y4^2 - (r0 - r4)^2
eq5 = x5^2 + y5^2 - (r0 - r5)^2
eq6 = x6^2 + y6^2 - (r0 - r6)^2
eq7 = (x1 - x2)^2 + (y1 - y2)^2 - (r1 + r2)^2
eq8 = (x1 - x3)^2 + (y1 - y3)^2 - (r1 + r3)^2
eq9 = (x1 - x4)^2 + (y1 - y4)^2 - (r1 + r4)^2
eq10 = (x1 - x5)^2 + (y1 - y5)^2 - (r1 + r5)^2
eq11 = (x2 - x3)^2 + (y2 - y3)^2 - (r2 + r3)^2
eq12 = (x2 - x4)^2 + (y2 - y4)^2 - (r2 + r4)^2
eq13 = (x2 - x6)^2 + (y2 - y6)^2 - (r2 + r6)^2
eq14 = (x3 - x5)^2 + (y3 - y5)^2 - (r3 + r5)^2
eq15 = (x3 - x6)^2 + (y3 - y6)^2 - (r3 + r6)^2;

function H(u)
   (r0, r1, x1, y1, r2, x2, y2, r3, x3, y3, x4, y4, x5, y5, y6) = u
   return [
       x1^2 + y1^2 - (r0 - r1)^2,  # eq1
       x2^2 + y2^2 - (r0 - r2)^2,  # eq2
       x3^2 + y3^2 - (r0 - r3)^2,  # eq3
       x4^2 + y4^2 - (r0 - r4)^2,  # eq4
       x5^2 + y5^2 - (r0 - r5)^2,  # eq5
       x6^2 + y6^2 - (r0 - r6)^2,  # eq6
       -(r1 + r2)^2 + (x1 - x2)^2 + (y1 - y2)^2,  # eq7
       -(r1 + r3)^2 + (x1 - x3)^2 + (y1 - y3)^2,  # eq8
       -(r1 + r4)^2 + (x1 - x4)^2 + (y1 - y4)^2,  # eq9
       -(r1 + r5)^2 + (x1 - x5)^2 + (y1 - y5)^2,  # eq10
       -(r2 + r3)^2 + (x2 - x3)^2 + (y2 - y3)^2,  # eq11
       -(r2 + r4)^2 + (x2 - x4)^2 + (y2 - y4)^2,  # eq12
       -(r2 + r6)^2 + (x2 - x6)^2 + (y2 - y6)^2,  # eq13
       -(r3 + r5)^2 + (x3 - x5)^2 + (y3 - y5)^2,  # eq14
       -(r3 + r6)^2 + (x3 - x6)^2 + (y3 - y6)^2,  # eq15
   ]
end;

(r4, r5, r6) = (872.3, 671, 572) ./2
x6 = 0
iniv = [big"95.0", 57, 12, 40, 41, -40, -43, 34, 36, -47, -72, 18, 75, -8, -79] .* (620.3/28)
res = nls(H, ini=iniv);
println([round(Float64(x), digits=6) for x in res[1]], " 収束:", res[2]);

   [1586.0, 830.761905, 265.84381, 706.902857, 726.916667, -668.763333, -539.24, 623.071429, 672.917143, -688.777143, -994.422, 577.304, 1248.06, 78.08, -1300.0] 収束:true

\(r_0 = 1586\)
\(r_1 = 830.762; x_1 = 265.844;  y_1 = 706.903\)
\(r_2 = 726.917; x_2 = -668.763; y_2 = -539.24\)
\(r_3 = 623.071; x_3 = 672.917;  y_3 = -688.777\)
\(r_4 = 436.15;  x_4 = -994.422; y_4 = 577.304\)
\(r_5 = 335.5;   x_5 = 1248.06;  y_5 = 78.08\)
\(r_6 = 286;     x_6 = 0;        y_6 = -1300\)

大円の半径は 1586 寸(直径は 3172 寸)である。

描画関数プログラムのソースを見る

function draw(more=false)
   pyplot(size=(500, 500), grid=false, aspectratio=1, label="", fontfamily="IPAMincho")
   (r4, r5, r6) = (872.3, 671, 572) ./2
   x6 = 0
   (r0, r1, x1, y1, r2, x2, y2, r3, x3, y3, x4, y4, x5, y5, y6) = res[1]
   @printf("r0 = %g; r1 = %g; x1 = %g; y1 = %g; r2 = %g; x2 = %g; y2 = %g; r3 = %g; x3 = %g; y3 = %g; r4 = %g;  x4 = %g; y4 = %g; r5 = %g;  x5 = %g; y5 = %g; r6 = %g;  x6 = %g;  y6 = %g\n", r0, r1, x1, y1, r2, x2, y2, r3, x3, y3, r4, x4, y4, r5, x5, y5, r6, x6, y6)
   @printf("大円の半径 = %g;  直径 = %g\n", r0, 2r0)
   plot()
   circle(0, 0, r0, :gray)
   circle(x1, y1, r1)
   circle(x2, y2, r2, :blue)
   circle(x3, y3, r3, :green)
   circle(x4, y4, r4, :magenta)
   circle(x5, y5, r5, :orange)
   circle(x6, y6, r6, :brown)
   if more
       delta = (fontheight = (ylims()[2]- ylims()[1]) / 500 * 10 * 2) /  3  # size[2] * fontsize * 2
       point(x1, y1, " 甲:r1,(x1,y1)", :red, :left, :vcenter)
       point(x2, y2, "乙:r2,(x2,y2)", :blue, :center, :top, delta=-delta)
       point(x3, y3, "丙:r3,(x3,y3)", :green, :center, :top, delta=-delta)
       point(x4, y4, "丁:r4,(x4,y4)", :magenta, :center, :top, delta=-delta)
       point(x5, y5, "戊:r5,(x5,y5)", :orange, :center, :bottom, delta=delta/2)
       point(x6, y6, " 己:r6,(x6,y6)", :black, :left, delta=-delta/2)
       vline!([0], color=:black, lw=0.5)
       hline!([0], color=:black, lw=0.5)
   end
end;


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