次の証明はケイシーの定理 、特にパーサーの定理 を使うものである。
△ABC について、BC, CA, AB の中点をそれぞれD, E, F 、BC, CA, AB と内接円の接点 をそれぞれX, Y, Z とする。
E
F
¯
=
a
2
,
F
D
¯
=
b
2
,
D
E
¯
=
c
2
,
D
X
¯
=
|
b
−
c
2
|
,
E
Y
¯
=
|
c
−
a
2
|
,
Y
Z
¯
=
|
a
−
b
2
|
.
{\displaystyle {\overline {EF}}={\dfrac {a}{2}},\quad {\overline {FD}}={\dfrac {b}{2}},\quad {\overline {DE}}={\dfrac {c}{2}},\quad {\overline {DX}}=\left|{\dfrac {b-c}{2}}\right|,\quad {\overline {EY}}=\left|{\dfrac {c-a}{2}}\right|,\quad {\overline {YZ}}=\left|{\dfrac {a-b}{2}}\right|.}
ハートの定理
1861年、アンドルー・サール・ハート は、六円定理 を九円定理に拡張するように、3辺が直線 でなくともよいことを示した。ハートの定理は、ラーモアの示した定理の様に、非ユークリッド平面 上の三角形の4つの外接円がある円に接するということに他ならない。
フォントネー
フォントネーの定理
次の定理は、1867年にグリフィス 、1880年にヴェイユ、1889年にW. S. マッケイ、1905年にジョルジュ・フォントネー が示したものである。
P を内心か傍心とすればフォイエルバッハの定理となる。P, P' が外心と共線になるようなP はマッケイ三次曲線 上にある。
一般に、等角共役な2点P, P' の垂足円と九点円の2交点は、三角形の3頂点とそれぞれP, P' を通る直角双曲線 の中心である。
ロジャース
ロジャースの定理
1930年、レナード・ジェームズ・ロジャース は、Mathematical Gazette において、円錐曲線 の連合準円 を用いて、一般化を行った。1897年にV・ラマスワミ・エイヤール も、同様の結果を導出している。
三角形の内接円錐曲線 と、その円錐曲線と焦点 を共有する外心を通る円錐曲線の連合準円は九点円に接する。
内接円錐曲線の2焦点が外心と共線であるとき、フォントネーの定理を得る[ 注釈 2] 。
荻野修作は、フォントネーの定理やロジャースの定理の拡張を2つ示している。次はその1つ目の定理である。
三角形の外心と九点円の中心をそれぞれO, N とする。焦点をP, Q とする内接円錐曲線Γ について、∠POQ における等角共役線l, l' を書く。Γ とΓ に共焦点 でl, l' に接する円錐曲線の連合準円と、九点円の交点X, Y はl, l' の直極点 である。さらに、直線NX, NY の成す角はl, l' の成す角の2倍の角に等しい。
l, l' の成す角が、0, 180度ならば、ロジャースの定理を得る。l, l' がOP, OQ に一致すれば、1907年にプレ、1933年にフランク・モーリー が著書 Inversive Geometry で示した、フォントネーの定理の拡張になる。プレによれば、このときX, Y は、それぞれ中点三角形に内接しOP, OQ を準線 とする放物線の焦点である。
ロジャースの定理において円錐曲線が外心を通る場合、その準円は九点円だけでなく外接円に接触する。また、ナラヤナン(Narayanan)は、外心を通る場合のロジャースの定理について外心を任意の点に拡張している。
等角共役点P, P' 上の点O にて内接円錐曲線Γ が直線PP' に接するとき、P の垂足円、O の垂足円、Γ の準円は共軸。
ラオ
次の定理はインド数学会(英語版 ) の雑誌にて、M. Bhimasena Rao(ラオ)がW. S. マッケイらの垂足円への拡張から類推して、"Contact circle"と呼ばれるものに拡張したものである。
ある点P を中心とする内接円錐曲線と各辺の接点からなる三角形の外接円をP の Contact circle と呼ぶ。点P とその等角共役点 P' と類似重心 が共線ならば、P の Contact circle は九点円と接する。
P を内心か傍心とすれば、フォイエルバッハの定理を得る。P, P' が類似重心と共線になるようなP はグリーブ三次曲線K102上にある[ 41] 。 逸見伝三郎、濱田隆資らは、この定理の拡張を示している。ランガスワミは垂足円と Contact circle を統一的に扱うことを試みている。また、ラオは自身でも更なる拡張を示している。
P を中心とする内接円錐曲線と各辺の交点をD,E,F 、△DEF の内心または傍心と、内接円錐曲線と基準三角形の配景の中心Q を結ぶ直線とEF の交点をG 、AG と基準三角形の中点三角形のBC に平行な辺の交点をV とすれば、PV 上にある等角共役点の Contact circle はP の Contact circle と接する。
P が類似重心ならば、Q が垂心となり、垂心は垂心三角形 の内心であるから、元のラオの拡張となる。
ラオなど雑誌への寄稿者は、他にもフォイエルバッハの定理に関する定理を残している。次の定理はその一例。
点P の垂足円が九点円に接するとき∠PAB + ∠PBC + ∠PCA = 90° [ 注釈 3] 。
ハミルトン
ウィリアム・ローワン・ハミルトン は、2つの内接円錐曲線 の第四共通接線 (3辺と異なる接線)と三線極線 を用いて拡張を行った。
2つの内接円錐曲線U, V について、U と三角形の配景 の中心をO とする。U と3辺とのそれぞれの接点と、O の三線極線とV の2交点(虚でもよい)を通る円錐曲線S は、U とV の第四共通接線とV の接点でV に接する。
U をシュタイナーの内接楕円 、V を内接円としたとき、O は重心、O の三線極線は無限遠直線 で、S は2つの虚円点 を通るため円になって、フォイエルバッハの定理が導かれる。
O を重心、V を放物線とすると、1939年にデ・チッコが得た定理となる。
この性質から、フォイエルバッハ点は、シュタイナーの内接楕円と内接円の第四共通接線と内接円の接点であることが分かる。
ブリカール
1907年、ラウル・ブリカール は、Nouvelles Annales de Mathématiques において、有向直線を用いた拡張を発表した。
3対の平行 な同じ向きの有向直線(A 1 , B 1 ), (A 2 , B 2 ), (A 3 , B 3 ) について、(A 1 , A 2 , A 3 ), (A 1 , B 2 , B 3 ), (B 1 , A 2 , B 3 ), (B 1 , B 2 , A 3 ) に接する同じ向きの有向円は、ある一つの有向円に接する。
B 1 , B 2 , B 3 の成す三角形を中点三角形 にすると、フォイエルバッハの定理を得る。
2024年には、それぞれA 1 , A 2 , A 3 の成す三角形T とB 1 , B 2 , B 3 の成す三角形が前者の三角形の重心で相似であるときの場合について Keita Miyamoto が再発見し、さらにこの場合に4つの円に接する円とT の内接円との接点はフォイエルバッハ点であることを示している[ 52] 。
ヴォンドラチェク
1933年、ヴォンドラチェクは円錐曲線の交点を用いて一般化した。
3つの直線に接するかつ共通の2点を通る4つの円錐曲線を用意する。この4つの円錐曲線に接するかつその2点を通る円錐曲線が存在する。
濱田
1943年、東北数学雑誌 において濱田隆資は根円 を用いて拡張を行った。2021年には、Tran Quang HungとNguyen Thi Thuy Duongも同様の定理を得ている。
任意の点P の垂足三角形 を△Pa Pb Pc とする。BC, CA, AB の中点を中心とし、それぞれPa , Pb , Pc を通る円の根円は九点円に接する。
1925年、J. P. Gabbattは、一般に任意の点P, Q の辺に対する垂足を反転 によって移すような、辺の中点を中心とする3円の根円と、九点円の2交点は、P, Q と外心を結ぶ直線の直極点 であることを示した。更に、3円の中心が、辺の中点以外(外心以外の垂足三角形の頂点)では成立しないことも示している。
プロタソフ
V. プロタソフ(Protasov)は segment theorem と称した定理の特殊な場合としてフォイエルバッハの定理を示している。
点O で交わる2直線に接する円Γ の中心をI とする。今、2直線のそれぞれに点A, B を線分AB がΓ に接するように作る。A, B を通る円Ω の弧AB とOA, OB に接する円が2つ存在し、2円のAO との接点とI が直角三角形を作るように配置できる。
基準三角形ABC において、AB, AC の中点をB', C' と置く。Γ を△AB'C' の内接円、Ω を九点円とすれば元の定理を演繹できる。
グエンとレ
2023年、Nguyen Ngoc GiangとLe Viet Anは3つの一般化を示した。次の定理はその一つである。
△ABC とその垂心でないかつ辺上・外接円上にない任意の点P について、PB, PC におけるA の直交射影 を結ぶ直線をla として、lb , lc も同様に定義する。la , lb , lc から成る三角形の外接円は、P の垂足円に接する。
グエンとレの論文の Remark 12 ではArt of Problem Solving(英語版 ) にて Nguyen Van Lich と Telv Cohlの示した一般化[ 59] が紹介されている。
基準三角形ABC の垂心でない点P において、それぞれBC, CA, AB の中点を通るAP, BP, CP の垂線の成す三角形の九点円はP の垂足円に接する。
モーリー
1916年、フランク・モーリー は雑誌 Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America において、三級曲線(任意の点から実あるいは虚の接線を3本引くことができる代数曲線 )への拡張を発表した。
垂心系(英語版 ) を成す4点を結ぶすべての直線に接する、かつ2つの虚円点 を通る三級曲線は、垂心系の作る三角形の九点円に接する。 三級曲線を内接円(傍接円)と垂心の和集合 とすれば、フォイエルバッハの定理となる。
マルグーズー
1919年、マルグーズー(Malgouzou)は、三次曲線 への拡張を示したが、複雑な手順を要しており、また、ハートの定理のように、直接的な拡張とはなっていない。
三次曲線C と点O について、O を通る直線l がC と3点P, Q, R で交わっているとする。今、
(
1
O
X
−
1
O
P
)
(
1
O
X
−
1
O
Q
)
+
(
1
O
X
−
1
O
Q
)
(
1
O
X
−
1
O
R
)
+
(
1
O
X
−
1
O
R
)
(
1
O
X
−
1
O
P
)
=
0
{\displaystyle ({\dfrac {1}{OX}}-{\dfrac {1}{OP}})({\dfrac {1}{OX}}-{\dfrac {1}{OQ}})+({\dfrac {1}{OX}}-{\dfrac {1}{OQ}})({\dfrac {1}{OX}}-{\dfrac {1}{OR}})+({\dfrac {1}{OX}}-{\dfrac {1}{OR}})({\dfrac {1}{OX}}-{\dfrac {1}{OP}})=0}
カール・ヴィルヘルム・フォイエルバッハ
ウィルキンソンの提起した問題。垂心系を成す4点からなる4つの三角形の九点円は一致する。
フォイエルバッハの定理の歴史はジョン・スタージャン・マッケイ(英語版 ) の九点円に関する作品に詳しい[ 74] 。マックス・シモン(英語版 、ドイツ語版 ) の書籍にも、フォイエルバッハの定理の歴史や作品がまとめられている。
フォイエルバッハの定理は、1822年のドイツの数学者カール・フォイエルバッハのモノグラフ Eigenschaften einiger merkwiirdigen Punkte des geridlinigen Dreiecks の§57で初めて証明された。フォイエルバッハによる証明は九点円の中心と内心の距離を三角法 を用いて計算する方法による。この発見はフォイエルバッハの名声を構成する要素の一つとなっている[ 77] 。1828年、ヤコブ・シュタイナー は Annales de Gergonne でフォイエルバッハの功績について知らぬまま定理について述べた。その後シュタイナーは論文 Die geometrischen Con structionen, ausgefuhrt mittelst der geraden Linie und eines festen Kreises の最後の脚注でフォイエルバッハにこの定理を帰した。
フォイエルバッハの論文は即座に広まらなかったため、再発見をする者も存在した。1842年、フランスの数学者オルリー・テルケム が解析的な証明でフォイエルバッハの定理を再発見した。初等幾何学 的証明は、雑誌 Nouvelles Annales における1850年のJ. メンションの作品で示された。1854年に、W. H. レヴィが The Lady's and Gentleman's Diary(英語版 ) において、2つ目の初等的証明を示した。同年同雑誌で、 T. T. ウィルキンソンは、垂心系(英語版 ) を成す4つの三角形の内接円と傍接円の延べ16円が、九点円に接するという問題を投げかけた[ 注釈 4] 。これは、1855年の同雑誌で解決された。1860年頃、イギリスの数学者ウィリアム・ローワン・ハミルトン によってフォイルバッハの定理が再発見された。1860年6月17日、ジョージ・サーモン は、The Quarterly Journal of Pure and Applied Mathematics で、フォイエルバッハの定理について、次の様に述べた。
" The following elementary theorems may interest some of the readers of the Quarterly Journal..."
1864年、ジョン・ケイシー は、Quarterly Journal で、現在ケイシーの定理 と呼ばれる定理を用いてフォイエルバッハの定理を示した。ケイシーの書籍 Sequel to Euclid にも、証明が示されている。
ハインリヒ・シュレーター は1868年にその時点で定理を拡張できるような証明方法がないことを述べた。1874年の論文ではフォイエルバッハやケイシー、バルツァー(ドイツ語版 ) の証明をあくまで代数的で明確さに欠けると指摘し、自身で純粋幾何学的な証明を行った[ 注釈 5] 。
1882年、ヴィルヘルム・フィードラー は 円点投象法[ 注釈 6] (Zyklographie)と呼ばれる空間的な手法によって証明を試みた。フィードラーの証明は一部不足があった。この不足は1911年にミュラー(英語版 、ドイツ語版 ) によって修正され、更に1922年、ヤン・ソボトカ(チェコ語版 ) によって単純な解法が示された。
他に、C. Leudesdorf(1884)、サミュエル・ロバーツ (1887)、ヴィクトル・テボー (1910)など多くの数学者が、フォイエルバッハの定理を独自に証明している。
日本では、和算 の時代においてフォイエルバッハの定理に到達することはできなかった。明治時代に入り、澤山勇三郎 がフォイエルバッハの定理を約20通りの方法で証明した[ 注釈 7] 。
脚注
注釈
^ 参考文献の中には、「正三角形を除き」のような文言を書いていないものも少なくない。
^ 三角形の任意の内接円錐曲線の2つの焦点は等角共役 の関係にある。円錐曲線とその2焦点を通る直線の連合準円は円錐曲線の補助円(Auxiliary Circle;大副円, 副円、長軸を直径とする円)となり、等角共役点を焦点とする内接円錐曲線の補助円は垂足円であることから従う。また、虚焦点が外心と共線、つまり円錐曲線の短軸上に外心が存在するときは、内接円錐曲線の小副円(Minor auxiliary circle、短軸を直径とする円)が九点円と接する。
^ 一般に、P の垂足円と九点円(の交点における接線)が成す角は∠PBC + ∠PCA + ∠PAB ± 90° である[ 46] 。この角が一定であるときP の軌跡は種数1の6級代数曲線である。
^ △ABC の垂心 をH とすると、△BCH の辺の各中点は、BC, BH, CH の各中点であるから、△ABC と△BCH の九点円は一致する。同様に△CAH 、△ABH の九点円も一致することが分かる。
^ 1886年、証明の誤りがLangeによって訂正されている。
^ 円点投影法とも訳される。空間の直交座標系 のxy 平面において、中心(x ,y ) 、半径r の有向円を点(x , y , r ) に対応させる手法。
^ 森本清吾 による澤山の論文をまとめた書籍『澤山勇三郎全集』によれば、澤山は『東京物理学校雑誌』に発表した証明の中で、ケイシーの定理や解析幾何学 を用いたものには番号を付けなかった。
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関連項目
外部リンク