【論文327】二つの曲線は 0.083 パーセントしか違わず、それでも別物である

要旨

垂れた鎖の形と、吊り橋のケーブルの形は、目では区別がつかない。本稿が問うのは、では何が二つを分けているのかである。答は、形ではなく、荷重をどちらの長さで数えるかである。新しい数学定理も新しい法則も主張しない。

第一に、原点では二次まで完全に一致する。$x=0.1$ で差は $\mathbf{0.083292}$ パーセント(第2節)。

第二に、遠くでは別物になる。$x=5$ で $\mathbf{82.925818}$ パーセント(第2節)。

第三に、差は四次の項から出る。$x^4/24$ 対 $0$(第2節)。

第四に、これが本稿の芯である。分けているのは、弧長で数えるか水平長で数えるかである(第3節)。

第五に、実際の吊り橋では差は $\mathbf{0.082674}$ パーセントしかない(第4節)。

第六に、分離子は「桁とケーブル、どちらが重いか」である(第5節)。

射程(何を示さないか)

新しい数学定理も新しい法則も主張しない。懸垂線の方程式、放物線ケーブルの吊り橋理論、両者のテイラー展開はいずれも標準的である。構造設計をしない。使うのは二つの曲線と、一つの測度の違いだけである。たわみを扱わない。ケーブルの伸び、温度変化、活荷重によるたわみには立ち入らない。本稿は理想化された静止形状だけを見る。どちらが正しいかを判定しない。実際の橋は両者のあいだにあり、本稿はその位置を決めない。数値に工学上の精度を主張しない。たるみ比は形を比べるための値であって、特定の橋のものではない。最適形状を論じない。どちらが構造として有利かは扱わない。既刊との関係:論文198 は「まっすぐ」は「最短」を意味しないと示した。198 は同じ曲線に二つの性格があると言い、本稿は二つの曲線が同じに見えると言う。向きが逆である。論文326 は二乗三乗が恒等式だと示した。どちらも「見かけが同じでも中身が違う」型だが、326 は比の話、本稿は関数の話である。論文300 は同根か別根かは判定できると示した。本稿は「数値が近いだけでは同根でない」の実例になっている。論文245 は二つの極限が順序を書くまで答を持たないと示した。ここでも、どの測度で積分するかを書くまで曲線が決まらない。論文183 は同じ表が二つの正しい答を持つと示した。同じ形が二つの正しい方程式を持つという、対になる例である。加えたのは両曲線の差を六点で計算したこと、差が四次から出ることを明示したこと、たるみ比ごとの最大差を出したこと、分離子を測度の違いに置いたことである。

1. 記法と問い

設定:自重だけで垂れた鎖は懸垂線になる。

$$y=a\cosh(x/a)-a$$

桁が重い吊り橋のケーブルは放物線になる。

$$y=\frac{x^2}{2a}$$

観察 1.1 $\cosh$ を展開すると

$$a\cosh(x/a)-a=\frac{x^2}{2a}+\frac{x^4}{24a^3}+\frac{x^6}{720a^5}+\cdots$$

最初の項が、放物線そのものである。二次まで完全に一致する。

問い:では、二つは何が違うのか。

2. $0.083$ パーセントと $82.9$ パーセント

検算 2.1:$a=1$ として、二つの高さを比べる(本稿で計算)。

$x$ 懸垂線 放物線 差 差/懸垂線
$0.1$ $0.00500417$ $0.00500000$ $0.00000417$ $\mathbf{0.083292\%}$
$0.5$ $0.12762597$ $0.12500000$ $0.00262597$ $2.057548\%$
$1.0$ $0.54308063$ $0.50000000$ $0.04308063$ $7.932641\%$
$2.0$ $2.76219569$ $2.00000000$ $0.76219569$ $27.593834\%$
$3.0$ $9.06766200$ $4.50000000$ $4.56766200$ $50.373095\%$
$5.0$ $73.20994852$ $12.50000000$ $60.70994852$ $\mathbf{82.925818\%}$

観察 2.2 同じ二つの曲線が、$0.08$ パーセントから $82.9$ パーセントまで開く。どちらの数字も同じ二本について正しい。「どれだけ違うか」は、どこを見るかを言わないと決まらない。

観察 2.3 差は四次の項から出ている。$x^4/(24a^3)$ 対 $0$、一次も二次も三次も一致しているので、近くでは見分けようがない。

観察 2.4 近似が良いのではなく、一致しているのである。放物線は懸垂線の二次のテイラー多項式そのものであって、当てはめた曲線ではない。偶然近いのではない。

観察 2.5 論文300 は「数値の一致だけでは同根と見なさない」と書いた。本稿はその実例である。$0.083$ パーセントの一致は、同じものである証拠にならない。

3. 芯:どちらの長さで、荷重を数えるか

設定:どちらの曲線も、同じ釣り合いの式から出る。水平張力 $H$ が一定で、

$$H\frac{d^2y}{dx^2}=w$$

$w$ は「単位長さあたりの重さ」である。

観察 3.1 これが本稿の芯である。その「単位長さ」が二通りある。

何が重いか 荷重を数える長さ 出る曲線
ケーブル自身 弧長 $ds$ 懸垂線
吊られた桁 水平長 $dx$ 放物線

観察 3.2 方程式は一文字も違わない。違うのは$w$ がどちらの微分に対して一定かだけである。形の違いは、測度の違いから出ている。

観察 3.3 弧長で一定なら、傾いた所ほど水平方向に重くなる。$ds=\sqrt{1+y’^2} dx$ だから、端のほうが余分に重く、だから懸垂線のほうが速く立ち上がる。

観察 3.4 表2.1 の差は、全部この一点から出ている。$x=5$ で $82.9$ パーセント開くのは、そこでは傾きが大きく、$ds$ と $dx$ が大きく違うから、$x$ が小さいところでは $\sqrt{1+y’^2}\approx1$ で、二つは同じになる。

観察 3.5 論文245 は「二つの極限は、順序を書くまで答を持たない」と書いた。同じ規律である。ここでは「どの測度で積分するか」を書くまで、曲線が決まらない。

観察 3.6 だから「懸垂線に近い放物線」という言い方は、順序が逆である。どちらも別々の物理から出た正確な答であって、片方がもう片方の近似なのではない。近似関係は、後から数学が見つけたものである。

4. 実際の橋では、$0.083$ パーセントしか違わない

検算 4.1:たるみ $f$(半スパンを $1$ とする)ごとに、二曲線の最大差を計算する。

たるみ $f$ 懸垂線の $a$ 最大差 差/たるみ
$0.02$ $25.0033$ $0.00000067$ $\mathbf{0.003332\%}$
$0.05$ $10.0083$ $0.00001040$ $0.020790\%$
$0.10$ $5.0166$ $0.00008267$ $\mathbf{0.082669\%}$
$0.20$ $2.5326$ $0.00064620$ $0.323100\%$
$0.35$ $1.4835$ $0.00326377$ $0.932505\%$
$0.50$ $1.0743$ $0.00877195$ $1.754390\%$

観察 4.2 実際の吊り橋のたるみ比は $1/10$ 前後である。そこでの最大差はたるみの $\mathbf{0.082674}$ パーセント、スパン $1000$ m・たるみ $100$ m の橋なら、$\mathbf{8.3}$ cm である。

観察 4.3 $8.3$ cm は、施工の誤差より小さいこともある。測って区別することが、実務では難しい。それでも二つは別の曲線である。

観察 4.4 たるみが浅いほど見分けがつかない。$f=0.02$ では $0.003332$ パーセント、張った紐ほど、どちらの理論も同じ答を出す。

観察 4.5 つまり「区別できるか」は精度の問題で、「別物か」は定義の問題である。二つは独立している。測って同じでも、別物でありうる。

5. 分離子:桁とケーブル、どちらが重いか

観察 5.1 分離子、吊られている荷重と、ケーブル自身の重さの比。

状況 支配するのは 形は
何も吊っていない鎖 自重(弧長) 懸垂線
桁が圧倒的に重い橋 桁(水平長) 放物線
両方が同程度 両方 どちらでもない

観察 5.2 三行目が実際の橋である。どちらの理想形でもない。本稿はその位置を決めない。

観察 5.3 論文183 は「同じ表が、二つの正しい答を持つ」と書いた。本稿は対になっている。同じ形が、二つの正しい方程式を持つ。

観察 5.4 論文198 との向き。

何が同じで、何が違うか
論文198 一つの曲線 が 二つの性格(まっすぐ/最短)を持つ
本稿 二つの曲線 が 一つの見かけ を持つ

観察 5.5 向きがちょうど逆である。198 では一つを二つに分け、本稿では二つが一つに見える。どちらも「見た目は根拠にならない」という同じ規律に服している。

観察 5.6 正直に書くべき点、本稿はどちらが構造として良いかを言わない。曲線の違いと、設計としての優劣は別の問いである。後者には立ち入らない。

観察 5.7 最後に一つ、ガリレオは、垂れた鎖を放物線だと書いた。間違いだが、$0.083$ パーセントの間違いである。目で見て直せる誤りではなく、$\cosh$ という関数がまだ無かったのだから、直しようもなかった。正しい形を書くには、書くための言葉が先に要る。

6. 点呼と結び

  1. 二次まで完全一致(観察1.1):放物線は $\cosh$ の二次項そのもの。
  2. $x=0.1$ で $0.083292$ パーセント(検算2.1):見分けられない。
  3. $x=5$ で $82.925818$ パーセント(検算2.1):同じ二本について。
  4. 差は四次から(観察2.3):$x^4/24a^3$ 対 $0$。
  5. 方程式は一文字も違わない(観察3.2):測度だけが違う。
  6. 弧長なら端が重い(観察3.3):$ds=\sqrt{1+y’^2}dx$。
  7. 実橋で $0.082674$ パーセント(観察4.2):$1000$ m の橋で $8.3$ cm。
  8. 区別できるかと別物かは独立(観察4.5):精度と定義。
  9. 198 と向きが逆(観察5.4):一つを二つに、二つを一つに。
  10. ガリレオの誤りは $0.083$ パーセント(観察5.7):言葉が無かった。

結び:垂れた鎖と吊り橋のケーブルは、目では区別がつかない。$\cosh$ を展開すると最初の項が放物線そのもので、二次まで完全に一致する。$a=1$ とすると $x=0.1$ での差は $\mathbf{0.083292}$ パーセント、$x=5$ では $\mathbf{82.925818}$ パーセントであり、同じ二本について両方とも正しい。「どれだけ違うか」は、どこを見るかを言わないと決まらない。差は四次の項から出る。一次も二次も三次も一致しているので近くでは見分けようがなく、放物線は懸垂線の二次のテイラー多項式そのものであって、当てはめた曲線ではない。そして二つを分けているのは、形ではなく測度である。どちらも $H y”=w$ という同じ釣り合いから出て、違うのは $w$ が弧長 $ds$ について一定か、水平長 $dx$ について一定かだけである。弧長で一定なら傾いた所ほど水平方向に重くなり、だから懸垂線のほうが速く立ち上がる。だから「懸垂線に近い放物線」という言い方は順序が逆である。どちらも別々の物理から出た正確な答であって、近似関係は後から数学が見つけたものである。実際の吊り橋のたるみ比 $1/10$ では、最大差はたるみの $\mathbf{0.082674}$ パーセント、スパン $1000$ m・たるみ $100$ m の橋で $\mathbf{8.3}$ cm であり、施工の誤差より小さいこともある。それでも二つは別の曲線である。分けるものは一つ、吊られた桁とケーブル自身の、どちらが重いか。実際の橋はそのあいだにあり、本稿はその位置を決めない。論文198 とは向きがちょうど逆である。198 は一つの曲線が二つの性格を持つと言い、本稿は二つの曲線が一つの見かけを持つと言う。どちらも「見た目は根拠にならない」という同じ規律に服している。最後に一つ、ガリレオは垂れた鎖を放物線だと書いた。間違いだが、$0.083$ パーセントの間違いである。目で見て直せる誤りではなく、$\cosh$ という関数がまだ無かったのだから直しようもなかった。正しい形を書くには、書くための言葉が先に要る。

参考文献

  1. Galilei, G. (1638). Discorsi e Dimostrazioni Matematiche intorno à due nuove scienze, Giornata Seconda. Leiden: Elzevir.
  2. Bernoulli, Joh., Bernoulli, Jac. and Huygens, C. (1691). Solutions to the problem of the catenary. Acta Eruditorum, June.
  3. Irvine, H. M. (1981). Cable Structures. Cambridge: MIT Press.
  4. Gere, J. M. and Timoshenko, S. P. (1997). Mechanics of Materials, 4th edition. Boston: PWS.
  5. 山岸勇輝 (2026). 同じ表が、二つの正しい答を持つ [論文183]. Zenodo. 10.5281/zenodo.22104230
  6. 山岸勇輝 (2026). 「まっすぐ」は「最短」を意味せず、柵は二つある [論文198]. Zenodo. 10.5281/zenodo.22107954
  7. 山岸勇輝 (2026). 二つの極限は、順序を書くまで答を持たない [論文245]. Zenodo. 10.5281/zenodo.22159739
  8. 山岸勇輝 (2026). 三百本目の点呼、同根か別根かは、判定できる [論文300]. Zenodo. 10.5281/zenodo.22171914
  9. 山岸勇輝 (2026). 二乗三乗の「法則」は、法則ではなく恒等式である [論文326]. Zenodo. 10.5281/zenodo.22209992

作成にあたって:本稿の着想と内容は、著者自身の考察に基づくものです。文章の構成整理や英訳、数式の確認には AI(大規模言語モデル)の助力を得ました。最終的な内容の解釈や誤りがあれば、それらはすべて著者の責に帰します。お気づきの点があれば、ご教示いただければ幸いです。

書誌

山岸勇輝(2026)「二つの曲線は 0.083 パーセントしか違わず、それでも別物である」[論文327]. Zenodo.
DOI: 10.5281/zenodo.22210286

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引用するとき

山岸勇輝 (2026). 二つの曲線は 0.083 パーセントしか違わず、それでも別物である [論文327]. YOI: https://www.yamagishiyuuki.com/yoi/327 ・ DOI: 10.5281/zenodo.22210286

Yamagishi, Y. (2026). Two Curves Agree to Within 0.083 Per Cent and Are Not the Same Curve [Paper 327]. YOI: https://www.yamagishiyuuki.com/yoi/327; DOI: 10.5281/zenodo.22210286

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