反転とその応用

11. 相反変換 

極と極線を用いて,平面上の変換を定義する.
定義
平面に円$\Gamma$を与えたとき, 円$\Gamma$の中心以外の点$P$に$P$の極線が対応し, 円$\Gamma$の中心を通らない直線$l$に$l$の極が対応する 変換を円$\Gamma$に関する相反変換(polarity)という.

通常扱う平面の変換は点の像は点で直線の像は直線であるが,相反変換は点の像は直線,直線の像は点であることに注意する.
相反変換を用いて,図形の性質を見つけることができる. 先ず三角形から見ていこう.
$\triangle ABC$の内接円を円$O$とし,辺$BC,CA,AB$との接点をそれぞれ$P,Q,R$とする.
このとき,円$O$に関する相反変換を考える.
点$A$の極線は直線$QR$であり,直線$AB$の極は点$R$である.
すなわち
$A\mapsto QR,B\mapsto RP,C\mapsto PQ$
$AB\mapsto R,BC\mapsto P,CA\mapsto Q$
である.
相反変換で,1点で交わる直線の極は一直線上にあり, 一直線上の点の極線は1点で交わることに注目する(定理1の系).
$\triangle ABC$で$AP,BQ,CR$は一点で交わる
(∵$AQ=AR,BR=BP,CP=CQ$ よりチェバの定理を用いて簡単に証明できる).
一方,$AP,BQ,CR$の極線はそれぞれ$RQ,BC$の交点,$PR,AC$の交点, $PQ,AB$の交点である.
$\triangle ABC ,\triangle PQR$どちらで考えてもよいが,$\triangle PQR$で表すと次の定理を得る.

定理8
$\triangle PQR$の外接円を円$O$とする. 頂点$P$における接線と$P$の対辺との交点を$X$,頂点$Q$における 接線と$Q$の対辺との交点を$Y$,$R$における接線と$R$の対辺との交点を$Z$と する.
このとき,3点$X,Y,Z$は一直線上にある.


次に,四角形で考えよう.
四角形$ABCD$が円$O$に外接し,辺$AB,BC,CD,DA$との接点をそれぞれ$P,Q,R,S$ とする.このとき,円に外接する四角形の定理 より,4直線$AC,BD,PR,QS$は1点で交わるから,それぞれの直線の 極は一直線上にある.
それぞれの直線の極を求める.
直線$AC$の極は,$A$の極線$PS$と$C$の極線$QR$の交点である.
同様に,$BD$の極は$PQ$と$SR$の交点である.
次に,$PR$の極は$P$における接線と$R$における接線すなわち$AB,CD$の交点である.同様に$QS$ の極は$AD,BC$の交点である.
四角形$PQRS$に注目すると次の定理を得る.

定理9
四角形$PQRS$は円に内接する.このとき,$PS,QR$の交点を$W$,$PQ,SR$の交点を$X$,$P$に おける接線と$R$における接線の交点を$Y$, $Q$における接線と$S$における 接線の交点を$Z$とすると,4点$W,X,Y,Z$は同一直線上にある.


定理8,定理9は相反変換により簡単に導き出すことのできる性質である.

次に六角形の場合を考える.
円に内接する六角形のパスカルの定理は

円に内接する六角形の対辺の交点は一直線上にある.
すなわち,右図で,円に内接する六角形$ABCDEF$で対辺の交点すなわち$AB,DE$の交点を$P$, $BC,EF$の交点を$Q$,$CD,FA$の交点を$R$とすると, 3点$P,Q,R$は一直線上にある.

である.まずパスカルの定理で$B$を$A$に近づけ,$D$を$C$に近づけ,$F$を$E$ に近づけさらに重ねると6角形$ABCDEF$は$\triangle ACE$になり,直線$AB,CD,EF$ はそれぞれ$\triangle ACE$の外接円の接線になる. したがってパスカルの定理はすでに証明した定理8になることがわかる.
次に,$P,Q,R$の極線を求めよう.
まず,$A,B,C,D,E,F$で外接する円$O$の外接6角形を$GHIJKL$とする.
$P$の極線は,$AB$の極と$DE$の極を結ぶ直線すなわち直線$GJ$,同様に $Q$の極線は直線$HK$,$R$の極線は直線$LI$.
したがって3直線$GJ,HK,LI$が一点で交わることが分かる.したがって次の定理を得る.

定理10(Brianchonの定理)
六角形$GHIJKL$が円に外接するとき,相対する頂点を結ぶ直線, すなわち$GJ,HK,IL$は一点で交わる.

ここでは,パスカルの定理よりBrianchonの定理を導いたが,もちろんBrianchon の定理よりパスカルの定理を導き出すこともできる.


さてここまで,円で成り立つ定理を,2次曲線でも成り立つと述べてきましたが, 何でも成り立つわけではありません.それを説明します.
円錐の頂点を通らない平面で円錐を切ったとき切り口は2次曲線です.
円錐を頂点を通らない2つの平面$\pi ,\pi '$で円錐を切り,円錐の頂点$O$を中心とする中心射影
$f:\pi \to \pi '$
を考える.$O$を中心とする中心射影とは
$P\in \pi$に対して直線$OP$と平面$\pi '$との交点を$P'$とした時の
$P \mapsto P'$
のことです.$\pi$を円錐の中心軸に垂直にとれば切り口は円ですから, 円の像が2次曲線となる中心射影が存在します.
定理が中心射影で保たれるなら,円で成り立てば2次曲線でも成り立ちます.
具体的にはあとで,パスカルの定理で説明しますが,まず,中心射影で保たれる 性質を調べましょう.
まず,点の像は点であり,直線の像は直線です.
直線の像が直線になることは,
直線$l\in \pi$のとき$l$と$O$を含む平面と$\pi '$との交線が$l$の像であることより分かる. 直線の像が直線になることより,
一直線上にある点の像は一直線上にある.
点が点にうつるから,1点で交わる直線の像は1点で交わる直線である.
また,直線と曲線が接するなら,像の直線と曲線も接する.
もう一つ重要な性質があります.それは複比を保つことです.すなわち
$[f(A),f(B);f(C),f(D)]=[A,B;C,D]$
が成り立ちます.これはここでは用いません.
さて気が付くことは,長さや角度は保たれません. したがって,長さや角度の議論はできません.

パスカルの定理を見てみましょう.
円に内接する六角形$ABCDEF$で$AB,DE$の交点を$P$,$BC,EF$の交点を$Q$, $CD,FA$の交点を$R$とすると3点$P,Q,R$は一直線上にある.
が成り立つ.
中心射影$f:\pi \to \pi '$による円$C$に内接する六角形$ABCDEF$の 像を六角形$A'B'C'D'E'F'$とする.六角形$A'B'C'D'E'F'$は円$C$ の像である2次曲線$C'$に内接する.
直線$AB,DE$の像はそれぞれ$A'B',D'E'$であり,$AB,DE$の交点$P$ の像は$A'B',D'E'$の交点$P'$である.
$B'C',E'F'$の交点を$Q'$,$C'D',F'A'$の交点を$R'$とすれば, 3点$P,Q,R$が一直線上にあるから$P',Q',R'$は一直線上にある.

今まで,扱ってきた極,極線や定理の多くはは中心射影で保たれる性質であること が簡単に確認できると思います.

円を与えたとき,極と極線を用いて相反変換が定義されました.相反変換も 射影変換の一つと考えます.その説明をします.
射影変換の定義をします.
定義
平面間の点を点にうつす変換で
(1)直線を直線にうつす
(2)1直線上の点の複比を変えない
を満たすものを射影変換という.

(1)は1直線上の点を1直線上にうつすに置き換えられ,点は点はうつすから 一点で交わる直線の像も1点で交わることもわかる.
相反変換を見てみましょう.
点の像は直線で直線の像は点ですが,一直線上の点の像は,一点で交わり(直線の 極を通る),1点で交わる直線の像は一直線上(交点の極線上にある)にある.
(1)の条件は満たすと考えてもよい.
相反変換が複比を保つことを示そう. 右図で,$A,B,C,D$は直線$p$上にあり,$p$の極を$P$,また$A,B,C,D$ の極線をそれぞれ$a,b,c,d$とする.$a,b,c,d$は点$P$を通る.
円$O$に関する$A,B,C,D$の反転変換の像をそれぞれ$A',B',C',D'$ とすると,直線$a,b,c,d$はそれぞれ$PA',PB',PC',PD'$である.
$OA\perp a,OB\perp b$(極線の定義)であるから
$\angle AOB=\angle A'PB'$(図の$1$の角)
同様に
$\angle BOC=\angle B'PC',\angle COD=\angle C'PD'$
したがって
$[A,B;C,D]=[a,b;c,d]$

(反転とその応用の項目終わり)


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