正方形を4等分

 正方形を4等分することを考えてみましょう。まず直線で分ける場合を考えてみましょう。

 直線で分けるのであれば簡単に色々と出てきそうですね。では曲線で分けることを考えてみましょう。
 面積と言えば積分ですね。授業で習った積分の計算法を用いて,4等分することを考えてみましょう。今,簡単のために1辺が1の正方形を考えます。

《パターン1》

 右の図のように整関数y=xが0≦x≦1において,x軸と囲まれた部分の面積を計算してみましょう。
   ∫xdx=1/(n+1)
この値が1/4になればよいので
   1/(n+1)=1/4   ∴n=3
つまりy=xで面積を1/4にできることになります。 ですから正方形を4等分するには直線y=xとこの曲線をy=xで対称に折り返した関数(y=xの逆関数)
   x=y  即ち y=x1/3
で4等分することができます。
 真中のy=xは直線なので,曲線にしてみましょう。原点対称な関数,つまり奇関数ではどうでしょう。
 y=axを中心(1/2,1/2)に移動したものを考えてみます。
   y=a(x−1/2)+1/2
これが原点を通るので
   0=a(0−1/2)+1/2  ∴a=4
つまりy=4(x−1/2)+1/2となります。
《パターン2》

 次に2次関数の切片形y=ax(x−1)を考えてみましょう。
   ∫ax(x−1)dx=−a/6
−a/6=1/4,2/4,3/4より
   a=−3/2,−3,−9/2
3つのaの値でグラフを描くと右上のようになり,一つがはみ出してしまい失敗です。そこでa=−3/2のときのグラフをy軸方向に1/2平行移動したものと直線y=1/2,その直線について対称移動したものを考えます。つまり
   y=−3/2・x(x−1)+1/2
   y=1/2
   y=3/2・x(x−1)+1/2
真中の直線も曲線にしてみます。3次の切片形を使いましょう。
0,1/2,1の3点を通り,y軸方向に1/2平行移動するグラフは
   y=ax(x−1/2)(x−1)+1/2
しかし,あまりaの値が大きすぎると右下のグラフのようにはみ出してしまいます。2つのグラフのx=0における微分係数,つまり傾きを考えてみましょう。
   y=3/2・x(x−1)+1/2 → f'(0)=3/2
   y=ax(x−1/2)(x−1)+1/2 → f'(0)=a/2
a/2≦3/2よりa≦3でなくてはなりません。

《パターン3》

 先ほどと同様に3次関数の切片形y=ax(x−1)(x−2)を考えてみましょう。
   ∫ax(x−1)(x−2)dx=a/4
a/4=1/4,2/4,3/4より
  a=1,2,3
3つのaの値でグラフを描くと左下のようになり,やはり一つがはみ出してしまい失敗です。そこでa=1の場合のグラフを先ほどと同様に,y軸方向に1/2平行移動したものと直線y=1/2,その直線について対称移動したものを考えます。
   y=x(x−1)(x−2)+1/2
   y=−x(x−1)(x−2)+1/2
真中の曲線にはy=ax(x−1/2)(x−1)+1/2を用いましょう。x=0における傾きを考え
   y=x(x−1)(x−2)+1/2 → f'(0)=2
   y=ax(x−1/2)(x−1)+1/2 → f'(0)=a/2
a/2≦2よりa≦4でなくてはなりません。
また2つの式を次のようにすると右下のようになります。
   y=x(x−1)(x+1)
   y=−x(x−1)(x−2)+1

《パターン4》

 2次関数y=axを考えてみましょう。
   ∫axdx=a/3
a/3=1/4よりa=3/4
このaの値のときのグラフと逆関数,3次関数を平行移動したグラフ,つまり
   y=3/4・x
   y=√(4y/3)
   y=4(x−1/2)+1/2
で描かれたグラフが右の図です。

 このように曲線でもいろいろ考えられますね。まだまだユニークなのもあると思います。ぜひ考えてみてください。