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円柱、円錐以外の、
展開図の描ける曲面
第5回 プログラマのための数学勉強会
2015/11/21
落合雄介(@taro_x)
1
本スライドの内容
• 展開図の作れる曲面「可展面」とは?
• 円柱、円錐以外の可展面の例
• 可展面による非可展面の近似
• 展開図を印刷してみた
2
曲面には2種類ある
• 展開図が作れる曲面:可展面
• 展開図が作れない曲面
3
球面
円錐面円柱面
曲面が可展面であるための条件は?
1. 紙の性質として、一方向に曲げたら、別の方向に
は同時に曲げられない
 曲面上の任意の点に対し、その点を含む曲面上の
直線が存在する
• 言い換えると、「直線で構成される曲面」ということ
4
青い矢印の方向に曲
げたとき、赤い線が、
この曲面の上に乗る
直線になる。
もう一つの条件
• 「直線で構成される曲面」は可展面? → No!
※「直線で構成される曲面」を、「線織面」という
5
円柱面や円錐面は良い
もう一つの条件
• 「直線で構成される曲面」は可展面? → No!
6
棒を真ん中で束ねたものをねじった曲面
→これはダメ
もう一つの条件
• 各棒の中心同士は
近いが、端同士が
離れてしまっている。
紙は伸び縮みしないので
このような曲面は作れない。
• 可展面であるための
もう一つの条件とは、
「隣り合う直線」が、
ねじれの位置にないこと
• 「任意の点における
ガウス曲率がゼロの曲面」とも言える
7
円柱、円錐以外の可展面
• 線織面を構成する直線が、
1. 全て平行 → 柱面
2. 1点で交わる → 錐面
3. ある曲線の接線の集まり → 接線曲面
• 全ての可展面は、これらのどれか、
またはそれらの組み合わせである
8
接線曲面の例
• つるまき線の接線曲面
9
接線曲面の例
• つるまき線の接線曲面
円柱に巻きつけた紐を、
引っ張りながら
ほどいていくときに
掃く曲面。
これは展開図を
作ることができる。
10
作ってみた
11
作ってみた
• 上から見ると、
インボリュート曲線が
現れる
12
曲面部分の展開図は?
13
• 実はこれも、インボリュート曲線と円の一部で
囲まれた図形になる。
元のつるまき線が、
仰角αで半径1の円柱上に
巻きついているとき、
R
β
Rβ
R=
1
cos α2
β= 2π cos α
展開図
14
つるまき線の接線曲面 その2
• 円柱に巻きついた紐を、
「下から」ほどいていったときに掃く曲面と、
「上から」ほどいていったときに掃く曲面を、
組み合わせたものを作ることもできる。
15
つるまき線の接線曲面 その2
16
展開図
• 何枚も切って
つなげる
中心の円と外側の円の
半径の比率と、
どの位置で
合わせるかが重要
17
可展面の応用
• 可展面を応用して、何かを作ってみよう
 紙で作ることができるので、
材料の調達も作成も簡単なはず!
18
可展面を作る
• 空間内に2つの曲線があったとき、
それらを両方含むような可展面を
作れる場合がある
19
可展面を作る
• 両方の曲線に接する平面との接点同士を
結んだ直線の集まりで曲面を構成すると、
可展面になる。 (接平面包絡面)
20
球面の可展面による近似
• 球面上に、らせん状の曲線を引く
• この曲線を通る可展面を計算する
21
これはつまり、
りんごの皮むきの厳密な計算
22
計算した可展面と展開図
23
世界地図を印刷してみた
24
地球儀ができた!
25
のりやテープが要らないよう、一工夫
26
出っ張りを作って、
互い違いにひっかける。
形を工夫した結果、
5分程度で組み立てら
れるようになった!!
りんごの皮むき風近似球面展開図
のメリット
27
• 少ないパーツで、
比較的球に近い立体を
作ることができる
• 印刷が容易
せっかくなので、
地球儀以外も
印刷してみよう
Google Street View のような、
全方向の写真を球面に印刷
Photo by Takehiko YOSHIDA
https://theta360.com/s/Xhl 28
RICOH THETA
29
• シャッターを押すと、両側についた魚眼レンズが同時
に撮影して、画像を貼り合せてくれる
Panono
• 36個のカメラを搭載したボール型カメラ
30
正距円筒図法(Equirectangular)
の画像を変換するサイトを作った!
• 全天球パノラマ画像を扱う際の標準的な形式
• 大体この形式で画像をエクスポートできる
31
http://print-sphere.com
にアップロード
販売も
してるよ!
可展面を楽しもう!
32
おまけ
33
球面以外も作れる
• またそのうち機会があれば発表します
34
おまけ
その2
35
切り絵もやってます
http://kirie.xyz
36

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