Dividir el círculo en 9 piezas de área igual

Question

Me gustaría dividir un disco de un círculo unitario en nueve partes de área igual, utilizando arcos de círculo como líneas delimitadoras.

Todo el diseño debe ser simétrico bajo el grupo de simetría del cuadrado, es decir, 4 ejes de simetría y simetría rotacional de 4 pliegues. Los arcos de división deben tener todos la misma curvatura. _(Gracias al comentario de i. m. soloveichik por hacerme consciente de este último requisito.)_ Por estas razones, varias áreas automáticamente serán del mismo tamaño, indicado por un color común en la figura anterior. Hay tres colores diferentes que corresponden a tres formas diferentes y el requisito de que todas las tres deben tener la misma área, por lo tanto, corresponde a dos ecuaciones. Esto concuerda bien con el hecho de que hay dos parámetros reales que se pueden ajustar, por ejemplo, la distancia $d$ entre el centro de la figura y los centros de los círculos divisores, junto con el radio $r$ para estos círculos divisores. Otras combinaciones son posibles.

Pero, ¿cómo se obtendrían los números reales para estos parámetros? ¿Es la solución incluso única?

Entiendo que puede ser difícil dar una respuesta exacta a esta pregunta. Por lo tanto, las respuestas numéricas también son aceptables, siempre y cuando expliquen cómo se obtuvieron los números, no solo cuáles son los números.

Answer 1

Para responder a tu segunda pregunta: La solución es única.

Para una distancia fija $d$ de los centros, hay un radio único $r$ de los círculos divisores que hace que el área de la parte verde sea $\frac19$ del círculo completo. Claramente, con $d$ creciendo, $r$ debe crecer. De hecho, el cuadrado determinado por los cuatro vértices de la parte verde también debe crecer porque con un $r$ más grande, el exceso de la forma verde sobre ese cuadrado se hace más pequeño. Pero eso significa que los vértices se desplazan hacia el exterior del círculo y también los arcos se vuelven más planos, lo que hace que las partes azules sean más pequeñas. Por lo tanto, solo hay un $d$ (con un $r$ correspondiente) que hace que las partes azules sean $\frac19$ cada una, lo que resuelve automáticamente el rompecabezas completo.

La solución en sí solo se puede encontrar numéricamente.

Answer 2

Basado en la respuesta de Hagen, escribí un poco de código para calcular numéricamente $d$ en un bucle externo y $r$ para un $d$ dado en un bucle interno. Los resultados que obtuve se ven así:

\begin{align*} r &= 4.740253970598989846488464631691100376659654929999896463057971 \\ d &= 4.441836291757233092492625306779987045065972123154874957376197 \end{align*}

Esto se calculó utilizando aritmética de intervalo de precisión arbitraria, por lo que a menos que haya garabateado completamente mi algoritmo de bisección, los dígitos dados deberían ser confiables.

Los parámetros indican el cero común de estas dos funciones, escritas en Python para Sage y utilizando el comentario de joriki:

def area1(d, r):
    """Valor de déficit de dos áreas azules y una roja."""
    x = (r^2 - 1 - d^2)/(2*d)       # intersección como lo describió @joriki
    a1 = 2*x.arccos()               # ángulo para el círculo central
    a2 = 2*((d + x)/r).arccos()     # ángulo para el círculo exterior
    a1 = (a1 - a1.sin())/2          # ángulo del segmento del círculo central
    a2 = (a2 - a2.sin())/2*r^2      # ángulo del segmento del círculo exterior
    return d.parent().pi()/3 - (a1 - a2) # forma esperada menos forma real de la luna

def area2(d, r):
    """Valor de exceso del área verde."""
    x = ((2*r^2 - d^2).sqrt() - d)/2 # intersección del círculo exterior con la línea x = y
    a2 = 2*((d + x)/r).arccos()      # ángulo para el círculo exterior
    a2 = (a2 - a2.sin())/2*r^2       # área para un segmento de círculo verde
    return ((2*x)^2 + 4*a2) - d.parent().pi()/9 # cuadrado + segmentos - esperado

Los signos de los resultados se eligen de tal manera que area2 aumenta con $r$ para un $d$ fijo, mientras que area1 aumenta con $d$ para un $r$ óptimo. Aproximando las áreas resultantes utilizando polígonos, pude verificar el resultado con una precisión razonable, por lo que creo que en este segundo intento (consulta el historial de ediciones para ver el primer error), obtuve las fórmulas correctas.

La figura resultante, por cierto, se ve así: