わさっきhb

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長方形を分割

いきなりですが問題です.

横の長さがa,縦の長さがbの長方形があります.
縦に線を5本引いて,同じ面積の長方形に分割します.
どのように線を引けばよいでしょうか.

具体的には,こうです.


引くための地点について,2次元座標系で (\frac{1}{5}a,0)と(\frac{1}{5}a,b), (\frac{2}{5}a,0)と(\frac{2}{5}a,b), ...を結ぶのではいけません.もしそうすると,最後の線分は(a,0)と(a,b)となり,長方形の辺と重なってしまいます.
図にしたとおり,5本の線を引いて,6つの,合同な長方形に分割するのですから, (\frac{1}{6}a,0)と(\frac{1}{6}a,b), (\frac{2}{6}a,0)と(\frac{2}{6}a,b), ..., (\frac{5}{6}a,0)と(\frac{5}{6}a,b)を結ぶ必要があります.
「(\frac{k}{6}a,0)と(\frac{k}{6}a,b),ただしk=1, 2, ..., 5」と書けば,簡潔にまとまります.
元ネタは学部の1年生を対象としたプログラミング授業です.キャンバスすなわち描画領域の幅と高さは,JavaScriptであらかじめ指定しており,本数は5本ではないのですが,幅÷(本数+1)をあらかじめ計算しておいて,forループで直線描画の処理を記述するのが,模範解答となります.
続きまして問題です.

横の長さがa,縦の長さがbの長方形があります.
対角線の1つを引き,その線と平行になるよう4本の線を引いて,全部で5本の線により,同じ面積の三角形または四角形に分割します.
どのように線を引けばよいでしょうか.定規とコンパスを使って,求める方法を答えなさい.

具体的には,こうです.


定規とコンパスは後回しにして,5本の分割線を次のように定めます.まず長方形ABCD(AD=BC=aおよびAB=DC=b)について,AとCを結びます.これが1本目の分割線です.
辺DA上に,DE=\sqrt{\frac{1}{3}}aを満たす点Eを,辺DC上に,DF=\sqrt{\frac{1}{3}}bを満たす点Fを,それぞれとり,EとFを結びます.これが2本目の分割線です.三角形DACと三角形DEFは相似(2組の辺の比とその間の角がそれぞれ等しい)ですので,∠DAC=∠DEFとなり,同位角が等しいことから,AC‖EFと言えます.相似比が1:\sqrt{\frac{1}{3}}なので,面積比は1:\frac{1}{3}となり,△XYZで,三角形XYZの面積を表すことにすると,△DEF=\frac{1}{3}DACです.
辺DA上に,DG=\sqrt{\frac{2}{3}}aを満たす点Gを,辺DC上に,DH=\sqrt{\frac{2}{3}}bを満たす点Hを,それぞれとり,GとHを結びます.これが3本目の分割線です.三角形DACと三角形DGHも相似であり,∠DAC=∠DGHよりAC‖GHです.相似比が1:\sqrt{\frac{2}{3}}で面積比は1:\frac{2}{3}ですので,△DGH=\frac{2}{3}DACです.四角形GHFEの面積はそこから△DEFを取り除けばよく,\frac{2}{3}DAC\frac{1}{3}DAC\frac{1}{3}DACです.四角形ACHGの面積も,\frac{1}{3}DACと等しくなります.
2本目の分割線(あるいは2点E,F)について,長方形の中心(2本の対角線の交点)と対称の位置になるように線(あるいは2点)を定めると,4本目の分割線が引けます.5本目も,3本目の分割線をもとにして同様に定めます.5本の線の引き方は,以上です.
定規とコンパスを用いた,点各の求め方ですが,点Eについては次のようにします.

まず,三角形ADXが正三角形となるような点Xは(コンパスでADの長さを測りとって,点Aおよび点Dを中心とする円を描き,その交点を求めることで)2つ存在しますが,そのうち直線BCに近い方を,点Iと定めます.半直線CDと,点Aを通るAIの垂線との交点を,点Jとします.このとき,三角形ADJは正三角形の半分の形となります(トライアングル3分割の三角形BAHと同様の作図をします).この直角三角形の辺の長さの比はDJ:AJ:AD=1:2:\sqrt{3}ですので,DJ=\sqrt{\frac{1}{3}}DA=\sqrt{\frac{1}{3}}aなのが分かります.このDJをコンパスで測りとり,Dを中心として円を描いたとき,線分ADとの交点が点Eです.
点Gは,DG=\sqrt{2}DEとなることを使用します.一辺の長さがDEと等しい正方形の対角線…はというと,EJが該当しますので,これをコンパスで測りとって,Dを中心として以下同文でいいでしょう.