三角形のオイラー線,9点円及びその周辺の話題
表題の内容について,相似の位置を利用して話を進めていきます. まず相似の位置を確認しましょう.

(相似の位置の定義)
右の2つの図形△ABCと△A’B’C’のように△ABC上の点Pと この点に対応する△A’B’C’上の点P’を 結ぶ直線が常に定点Oを通り,さらに点Pを△ABC上のどこにとっても OP:OP’が一定であるとき,△ABCと△A’B’C’は 定点Oを相似の中心とする相似の位置にあるといいます.またOP’/OP をこの相似の位置の相似比といいます.相似比はOPとOP’が同じ向きのとき正,反対向きのとき負とします.

右図で,△A’B’C’,△A”B”C”は△ABCと相似の位置にあり,相似比はそれぞれ2,
−1/2です.

なお,△ABCと△A’B’C’は3直線AA’,BB’,CC’が一点Oで 交わり,OA:OA’=OB:B’=OC:OC’=1:kなら △ABCと△A’B’C’はOを相似の中心とする相似比kの相似の位置 にあることがわかります.

次の図で,相似の位置の確認をしましょう.


線分XYの傾きだけ相似変換します.A,B,C,O,P,Yのいずれかの点を ドラッグしてみましょう.
△ABCと△A’B’C’は相似の位置にありPとP’は対応する点です.
3点O,P,P’ が一直線上にあることを確認しましょう


相似の位置に関して以後よく使う性質は
△ABCと△A’B’C’が点Oを相似の中心とする 相似の位置にある.このとき,△ABC上の点Pと△A’B’C’上の点P’が対応するなら 3点O,P,P’は一直線上にありOP’/OPは相似比と一致する.
です.
上の図で△ABCと△A’B’C’は相似の位置にあります. 相似比は線分XYの傾きです.Yをドラッグすると相似比が変わります. またA,B,C,P,O,をドラッグしてください.上の性質が読み取れ ると思います.

△ABCのオイラー線の説明の準備が整いました.まず,オイラー線の定義をしましょう.

定理(三角形のオイラー線)
△ABCの外心O,重心G,垂心Hはこの順に一直線上にあり
GO:GH=1:2
が成り立つ.


△ABCの外心,重心,垂心を通る直線を△ABCのオイラー線といいます.
次の図を見てください.
D,E,Fは△ABCの3辺BC,CA,ABの中点です.
点G,O,Hはそれぞれ△ABCの重心,外心,垂心です.
頂点A,B,Cはドラッグすると動きます.動かしていろいろな 三角形の場合を調べてみましょう.


A,B,Cをドラッグし,いろいろな三角形で考えましょう.
三角形ABCの外心 が△DEFの垂心になっていることが読み取ることが大切です



図より次の3点が読み取れますか.読み取れれば 定理の証明が完成します.

1.△ABCと△DEFは相似の位置にあり,相似の中心はG, 相似比は−1/2である.
(∵ GA:GD=GB:GE=GC:GF=2:1)

2.△ABCの辺の垂直2等分線は,△DEFで考えると, 頂点から対辺に下した垂線である.
(∵辺BCの垂直2等分線は△DEFで考えると,頂点Dから対辺 に引いた垂線である)

3.△ABCの外心Oと△DEFの垂心は一致する.

4.1より△ABCの垂心H,△ABCの重心G,△DEFの垂心O はこの順に一直線上にありGO:GH=1:2が成り立つ.

さて,オイラー線についてはいろいろ調べられます.私たちのゼミでは次のことを調べました.
1.オイラー線が頂点を通るのは△ABCがどの場合か.
2.オイラー線が内心Iを通るのは△ABCがどの場合か.

上記の問題に対して,下の図を用いていろいろな場合を調べ, 次の予想を得ました.

なお下の図は頂点A,B,Cをドラッグすると動きます.

命題1 △ABCのオイラー線が頂点を通るのは直角三角形か2等辺三角形の場合に限る.

命題2 △ABCのオイラー線が内心を通るのは2等辺三角形の場合に限る.

命題1は証明できましたが,命題2はまだ証明が出来ていません.これからの課題です.

命題1の証明は次を見てください.この証明は 宮川翔人君によるものです.
命題1の証明




A,B,Cをドラッグしていろいろな△ABCで考えましょう



次に△ABCの9点円を扱います.
まず,9点円がどのような円であるかきちんと書いておきます.

定理(9点円)
△ABCの3辺BC,CA,ABの中点をそれぞれD,E,F,各頂点A,B,Cから 対辺に下した垂線の足をそれぞれL,M,N,さらにHを垂心とし線分AH,BH,CH の中点をそれぞれP,Q,Rとする.
このとき,9点D,E,F,L,M,N,P,Q,R は同一円周上にある.この円を△ABCの9点円(またはオイラー円)という.




A,B,Cをドラッグしていろいろな△ABCで考えましょう


ここでは,相似の位置を利用して証明を行います.
証明の方針は
△DEF,△LMN,△PQRのいずれの外接円も半径がR/2,中心が線分OHの中点.ただしRは△ABCの 外接円の半径.
を示すことです.

まず,△DEFについて考えましょう.
△ABCと△DEFは相似の位置にあり,相似の中心は重心G, 相似比は−1/2です.
したがって,△DEFの外接円の半径はR/2, △DEFの外心O’はGに関してOと反対側にありかつ
GO:GO’=2:1
です.
一方,OG:GH=1:2ですから O’は線分OHの中点であることがわかります.
分かりづらければOH=6とおいて考えましょう.
OG=2,GO’=1よりO’は線分OHの中点であることがわかります.
次に△PQRですが,これはわかりやすい.
P,Q,Rはそれぞれ線分AH,BH,CHの中点ですから △ABCと△PQRは相似の位置にあり,相似の中心はH,相似比は1/2.
したがって,△PQRの外心は線分HOの中点,半径R/2です.

最後は△LMNです.これは,△LMNと△ABCを見比べるとわかるように この2つの三角形は相似ではありません.

そこで,AH,BH,CHの延長と外接円の交点をそれぞれX,Y,Zとし, △LMNと△XYZが相似の位置にあることを示して証明します.

点Lが線分HXの中点であることを示しましょう.
∠XBC=∠XAC  (弧XCの円周角)
=∠YBC      (∠Cの余角)  
  さらに,HX⊥BCよりHL=LXが示せました.
他も同様に考えることにより△XYZと△LMNは相似の位置にあり, 相似の中心はHです.したがって,△LMNの外接円の半径はR/2,中心が  線分OHの中点であることがわかりました.
以上で,9個の点が同一円周上にあることが証明されました.
9点が同一円周上にある証明はたくさんあります.次の方法が一番わかりやすいかもしれません.
右の図を見てください.
図より,2つの四角形FQRE,PQDEが長方形および∠DLA=90° であることを利用すれば9点が同一円周上にあることがわかります.

四角形PQDEが長方形であることは
辺PQ,EDはともにABと平行で長さが1/2.
(辺PE,QDはともにCHに平行で長さが1/2).
さらにAB⊥CH.
したがって,四角形PQDEは長方形.同様に四角形FQREも長方形.
ゆえに,6点E,P,F,Q,D,Rは線分QEを直径とする円周上にある.
その円の直径は線分DPでもある.
さらに∠DLP=90°より,点Lも同じ円上にある.
点M,Nも同様.

ここで一つ,9点円の応用例を紹介しましょう.

例題 △ABCの内接円の半径をr,外接円の半径をRとする.このとき
R≧2r
が成り立つ.


この例題にはいろいろな証明があり,標準的な証明は,△ABCの内心,外心間の距離をdとすると,
−2Rr=d
が成り立つことを示すことです.
ここでは直接証明します.
△ABCを与えたとき,△ABCが中点三角形である三角形を△PQRとします.△PQRの 作り方は簡単で,△ABCの各頂点を通り対辺に平行な直線をそれぞれ引き,交点をP,Q,Rとすれば△PQRが求める三角形 です.実際,四角形ABCQ,RBCAはともに平行h四辺形なので,AはQR中点です.
△PQRと△ABCの相似比は2:1ですから,△ABCの内接円の半径をrとすると,△PQRの内接円の半径は 2rです.
したがって,△PQRの内接円と△ABCの外接円の大小を調べればよいわけです.
一方,△ABCの外接円は△PQRの各辺の中点を通る円すなわち△PQRの9点円です.
この2つの円の大小は,△ABCの外接円を内接円とする△PQRに 相似な三角形をつくり(文章だと分かりづらいが図を見てください),その2つの三角形の大小を調べればわかります.
△PQRの9点円は三辺PQ,QR,RPに接するか,外に出るかですから,△ABCの外接円を内接円と する△XYZは△PQRを含みます.
したがってR≧2rが示せました.
また,等号が成り立つのは,△XYZと△PQRが一致するときで,△PQRで頂点から対辺に下ろした垂線の 足と対辺の中点が一致するときです.
したがって,△PQRが正三角形のとき,すなわち△ABCが正三角形と結論できました.

さて,9点円を学ぶと必ず出てくるフォイエルバッハの定理 を紹介いたしましょう.
次の図を見てください.図の中の△ABCの頂点をドラッグしてください.
内接円,傍接円と9点円には面白い関係があります.



頂点ABCをドラッグし9点円が△ABCの内接円, 傍接円に接することを確認しましょう



定理(フォイエルバッハ)
三角形の9点円は内接円および3つの傍接円に接する.


この定理の証明はいろいろあり,どれもちょっと面倒です. しかし,反転という変換を用いると驚くほど簡単に解決しますので, ここではその方法で証明いたします.
まず,反転の定義をしましょう.

(反転の定義)
中心がO,半径rの円CとOと異なる点Pが与えられている. このとき,円Cに関する点Pの反転P’とは半直線OP上で
OP・OP’=r  
を満たす点である.


反転によって,異なる点は異なる点に写るので, 接する2つの図形は接する2つの図形に写り,逆に反転による像が接するなら,元の2つの図形を接します.
この性質を利用します.

次の図形を見てください.
△ABCの内接円,傍接円と辺ACとの接点をそれぞれD,Eとし 線分DEを直径とする円が書いてあります.
DEが直径である円(赤い円)に 関する反転で,内接円,傍接円の共通内接線のうち辺ACでない方(直線m) は9点円に写り,内接円は内接円に,傍接円はやはり同じ 傍接円に写ることを証明します.
これが証明されれば,
内接円と9点円が反転により接する図形にうつり,傍接円と9点円も接する 図形にうつります.したがって,9点円と内接円,傍接円が接することがわかる.
これが証明の粗筋です.
証明の方針を理解するために,点P(共通内接線m上),点Q(傍接円上),点R(内接円上)をドラッグすることを すすめます.反転による対応点がわかるようになっています.



P,Q,Rを太円に関して反転した点がP’,Q’,R’です.P,Q,Rを ドラッグしてみてください.9点円と内接円,傍接円が接することが分かります



以下,上で述べた方針に従って証明します.図を見ながら読み進めて下さい.
なお,いろいろな準備をしながら証明を進めるので,長くなります.粘り強く読み進めてください.

反転の性質から入りましょう.
ここで扱う反転の性質はフォイエルバッハの定理を証明するだけのものです.
それ以外の内容に興味があれば反転とその応用 を参考にして下さい.


まず反転の定義と基本性質から始めます.
中心がO,半径rの円CとOと異なる点Pが与えられている.
円Cに関する点Pの反転P’とは半直線OP上で
OP・OP’=r 
を満たす点です.
まず,Pを与えたときP’がどのような点か調べよう.
点Pが円Cの内部にあるとき.Pを通り半直線OPと垂直な直線と 円Cとの交点の片方をAとし,Aにおける円Cの接線と半直線OPとの交点をP’とすれば このP’がPの反転です.
実際△OPA∽△OAP’より
OP・OP’=OA=r


Pをドラッグするとその反転P’が分かります
Pが円の外部にあるときも同じ図形を作ればよいだけです.それぞれの図形で点Pを動かせば 反転である点P’が求まります.

Pをドラッグするとその反転P’が分かります
反転で,直線,円がどのような図形に写るか調べましょう.
結果は次の通りです.

命題
(1)Oを通る直線は同じ直線に写る.
(2)Oを通らない直線はOを通る円に写る.
(3)Oを通る円はOを通らない直線に写る.
(4)Oを通らない円はOを通らない円に写る.


証明
(1)は明らかです.(2),(3)は右の図を見てください.
(2)はOから直線に下ろした垂線の足をA,点Aを円Cに関して反転した点をA’とします. 直線上の任意の点Pを円Cに関して反転した点をP’とすれば
OA・OA’=OP・OP’よりOA:OP=OP’:OA’
∴ △OAP∽△OP’A’ ∴ ∠P’=90°
したがって,点P’はOA’を直径とする円上にあり,Oを通らない直線の反転の像はOを通る円です.
(3)OA’をOを通る円の直径とします.点A’を円Cに関して反転した点をAとします. OA’を直径とする円上の任意の点をP’とし,点P’を円Cに関して反転した点をPとすれば.
OA・OA’=OP・OP’よりOA:OP=OP’:OA’
∴ △OAP∽△OP’A’ ∴ ∠A=90°
したがって,点PはAを通りOAに垂直な直線上にあり,Oを通る円の反転の像はOを通らない直線です.

(4)は少し面倒です.その原因は反転で円は円にうつりますが,中心は中心にはうつらないからです. ここでは,少し工夫して証明します.
点Oを中心とする半径r,rの同心円をそれぞれ O(r),O(r)とします. 点Pを円O(r)に関する反転した点をQ,さらに円O(r)に関する点Qの反転をR とします.
OP・OQ=r  ・・・@
OQ・OR=r2  ・・・A
ここでA÷@より
 OR/OP=r2/r1=(一定)・・・B
したがって,2つの同心円に関する反転の合成はOに関する相似変換になり,相似比はBとなります.

円Oの円O(r)に関する反転を考えましょう.
Oから円Oに引いた接線をOAとしOを中心とする 半径OAの円をO(OA)とすると,方べきの定理より,
OP・OQ=OA.
したがって,円Oの円O(OA)に関する 反転による像は円O自身です.(これは次の(5)も参考にして下さい)
したがって,円Oを円O(r)に関する反転した図形は,円Oを 円O(OA)に関して反転し,さらにO(r)に関して反転をした図形と 考えることが出来る.この合成は,Oに関する相似変換で あり,うつった図形はやはり円となります.
また,相似比はr/OAです.
すなわち,反転の像を2つの反転の合成と考えて証明したわけです.

次は最後の準備です.
(5)円Cに関する反転で,Cに直交する円の像は,その円自身である.
これは,右の図と方べきの定理(OP・OP’=OT)よりPはP’にうつり,P’はPにうつります. したがって,Cに直交する円の像は,その円自身です.


さて反転についての準備は整いました.

もう一つ,三角形の内接円,外接円の接点の性質を,定理の証明で用いるので,先に証明しておきましょう.

命題
△ABCの内接円I,傍接円Iと辺ACとの接点をそれぞれD,Eとする.また,2円I,Iの共通内接線 のうち辺ACでない方の直線と辺BC,ABまたはその延長との交点をそれぞれF,Gとする. このとき,次が成り立つ.
(1)CD=AE
(2)BA=BF,BC=BG
証明
(1) 傍接円IBとBAの延長,BCの延長との接点をそれぞれJ,Kとし, BC=a,CA=b,AB=c,a+b+c=2sとおきます. このとき AE=AJ=BJ−BA=s−c
2CD=(a+b+c)−2c
∴ CD=s−c
∴ AE=CD

この性質は,後で,「DEの中点はACの中点である」という形で使われます.


(2)直線BIに関して対称であるから(2円I,IBに2本の共通内接線を書き加えた図形と考える)
△ABC≡△BFG
∴ AB=BF,BC=BG

準備が全て整いました.フォイエルバッハの定理を証明いたします.

定理(フォイエルバッハ)
三角形の9点円は内接円および3つの傍接円に接する.


証明
図で赤円は,内接円の接点Dと傍接円の接点Eを直径の両端とする円Oです.
この赤円Oに関する反転を考えます.
この円の中心Oは,内接円,傍接円の共通内接線(辺AC)上にあるので円Oは内接円,傍接円に直交します. したがってこの反転で,内接円,傍接円はそれぞれ,その円自身に写ります.
残りは,9点円のこの赤円に関する反転による像が内接円,傍接円の共通内接線のうち, 辺ACでない方(直線m)であることを示すことです.

先ず,上の命題でしたしたことより,AE=CDが成り立つので, 線分DEの中点Oは辺ACの中点です. さらに,△ABCの9点円は辺ACの中点Oを通るので, 9点円の反転の像は直線になります.
したがって,辺ABの中点M,辺BCの中点Nの反転の像が直線m上にあることを 証明すれば,証明が完成します.
すなわち,直線OMと直線mの交点をM’,直線ONと直線mとの交点をN’とし,
OM・OM’=(円Oの半径)
ON・ON’=(円Oの半径)
を示すだけになりました.

右上図で,
BC=a,CA=b,AB=c,
s=(a+b+c)/2
とおきます.
まず,円Oの半径を求めましょう.
前に証明したCD=AE=s−cより
(円Oの半径)=(c−a)/2
次に,中点連結定理より
OM=a/2.
OM’の長さを求めましょう.
直線mと辺BCの延長との交点をF,辺ACと直線mとの交点をKとすれば △KCF∽△KOM’でありこの相似を利用します.
BKは∠Bの二等分線より

またBA=BFよりCF=c−a
以上より

したがって,

=(円Oの半径)
が示せました.

次に,ON’・ONを計算しましょう. ON=c/2. ON’は△KON’∽△KAGを利用します.
AG=c−a,




=(円Oの半径)
以上で証明が終了いたしました.長い証明ですが,ゆっくり読み進めてください.

フォイエルバッハの定理が発見されたのは1822年で,この反転による証明は1875年J.P.Taylorによってなされました.


さて,これらの内容に興味を持った人のために 英語ですが次の本を紹介します.
反転に関しての面白い例もたくさんあります.
数学の本は英語であっても内容さえ分かるなら,おもったより簡単に読めます.
〔1〕H.M.S Coxeter. S.L.Greitzer 著 GEOMETRIC REVISITED
New Mathematical Library vol 19 Random house
〔2〕H.Perfect著 Topics in Geometry, Pergamon 1963,London
〔3〕D.Pedoe著 Circles , Pergamon,1957,London
〔4〕岩田至康   幾何学辞典 槇書店
なお,〔1〕は以前河出書房より口語訳が出版されていましたが今は絶版です.このシリーズは, アメリカで1960年代数学の現代化のために高校生向けにかかれたものでどれもすばらしいシリーズです.
〔4〕は日本の誇りともいえるすばらしい辞典です.

以上で,オイラー線,9点円に関してのよく知られた内容の解説は終わりです.
余裕があったら次のことを調べてみましょう.

△ABCを与えたとき,内心,外心,重心,垂心,傍心,辺の中点,垂線の足, その他いろいろな点があります.これらの点のうち,直線上にある点,同一円周上 にある点の組を探しましょう.

右の例は,伊藤陽君,江波戸貴哉君が共同で見つけたものです.
△ABCの外心O,内心I,および傍接三角形(3頂点が傍心である三角形) の外心Kは一直線上にあり,Oは線分IKの中点である.
この性質を見つけたときはひょっとしたらすばらしい結果なのではないか. と思ったのですが,よく見ると,△ABCは傍接三角形の垂足三角形になっており, 要するに△ABCの外接円は傍接三角形の9点円になっています.
結局当たり前の結果でした.
三角形のオイラー線,9点円の話はこれで終わりです.次からは,生徒の作った例を題材に, 垂足三角形の周辺の話題について調べていきます.


垂足三角形とその周辺の話題
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