(1)三角形に内接する正三角形の重心の軌跡
(オイラー線に垂直な直線)
![](https://image.jimcdn.com/app/cms/image/transf/none/path/sb5e86f861a318b02/image/i782f339daafc11c6/version/1388144429/image.jpg)
[KONDOの定理] 内接正三角形の重心の軌跡
三角形の三辺上(またはその延長上)に頂点をもつ正三角形の重心は、
その三角形のオイラー線に垂直な直線上にある。
この直線の三線座標による方程式は、
{p(A,B,C)+p(A,C,B)}x+{p(B,A,C)+p(B,C,A)}y+{p(C,A,B)+p(C,B,A)}z=0
ただし、p(a,b,c)=(2sinasinb+√3sinc)sin(c-a)
[証明]
![](https://image.jimcdn.com/app/cms/image/transf/dimension=287x10000:format=jpg/path/sb5e86f861a318b02/image/i397a8e3b583f7a3f/version/1435752620/image.jpg)
△DEFを△ABCに内接する正三角形とします。
△AEFと△BFDの外接円の交点をKとします。
∠EKD=∠A+∠Bだから、
∠EKD+∠C=180°
よって、△CDEの外接円もKを通る。
[定理1]
△AEF、△BFD、△CDEの外接円は、1点Kで交わる。
∠BAK=∠FEK、∠DCK=∠DEK、∠FEK+∠DEK=60°より、
∠AKC=∠B+∠BAK+∠BCK=∠B+60°で一定
同様に∠BKA=∠C+60°、∠CKB=∠A+60°で一定であるから、
点Kは定点である。
さらに、∠EKF=180°-∠A、∠BAK=∠FEKで一定であるので、
△EKF等は、相似に動く。
[定理2] 等力点の性質
△AEF、△BFD、△CDEの外接円の交点Kは定点であり、
∠AKC=∠B+60°、∠BKA=∠C+60°、∠CKB=∠A+60°
△EKF、△FKD、△DKEは、相似に動く。
![](https://image.jimcdn.com/app/cms/image/transf/dimension=365x10000:format=jpg/path/sb5e86f861a318b02/image/i5ede6061adbeb6a6/version/1387845758/image.jpg)
ここで、△D'E'F'を△ABCに内接する別の正三角形とします。
BD'=x、CE'=y、AF'=z、KD'=kd、KE'=ke、KF'=kf、D'E'=E'F'=F'D'=kg
BK=l、CK=m、AK=nとかくと、(kは相似比)
内接四角形BDKFで、トレミーの定理より、
BD・KF+KD・BF=BK・DFから
kfx+kd(c-z)=klg
よって、
dz=fx+cd-lg
同様にして、
fy=ez+bf-ng、ex=dy+ae-mg
したがって、xがd増加すると、yはe、zはf増加するので、
DD':EE':FF'=d:e:f
[定理3]
△DEF、△D'E'F'が△ABCに内接する正三角形とするとき、
DD':EE':FF'=d:e:f(一定)である。
ここで、△DEFの重心G、△D'E'F'の重心をG'を考えると、
G↑=(D↑+E↑+F↑)/3
G'↑=(D↑+DD'↑+E↑+EE'↑+F↑+FF'↑)/3=G↑+BC↑/|BC↑|×kd+CA↑/|CA↑|×ke+AB↑/|AB|×kf
=G↑+k(BC↑/|BC↑|×d+CA↑/|CA↑|×e+AB↑/|AB|×f
となり、
GG'=k(BC↑/|BC↑|×d+CA↑/|CA↑|×e+AB↑/|AB|×fは一定方向であり、
重心はの1つの直線上にある。
[定理4] 重心の軌跡
△ABCに内接する正三角形の重心は、1つの直線上にある。
D'、E'、F'がKからの垂線の足の場合で計算します。
![](https://image.jimcdn.com/app/cms/image/transf/dimension=348x10000:format=jpg/path/sb5e86f861a318b02/image/ia383118c68000d5a/version/1387673449/image.jpg)
△EKF∽△E'K'F'で、EK>E'Kより、EF>E'F'から、
正三角形D'E'F'は、内接する正三角形で最小の三角形になります。
[定理5] 最小の三角形
内接する最小の正三角形は、定点Kからの垂足三角形である。
外接円AF'KE'、F'BD'K、E'KD'Cの半径を、R1、R2、R3とします。
正弦定理より、(R=△ABCの外接円の半径)
E'F'=2R2sinA、F'D'=2R1sinB、D'E'=2R3sinC
E'F'=F'D'=D'E'より、
R1sinA=R2sinB=R3sinC
よって、
R1:R2:R3=1/sinA:1/sinB:1/sinC
正弦定理より、
=1/a:1/b:1:c
[定理6] 頂点からの距離の比
AK:BK:CK=1/sinA:1/sinB:1/sinC=1/a:1/b:1/c
∠KBF'=∠KD'F'、∠KCE'=∠KD'E'、∠F'D'E'=∠KD'F'+∠KD'E'=60°より
∠BKC=∠KBF'+∠KCE'+∠BAC=∠KD'F'+∠KD'E'+∠A=∠A+60°
同様に、∠CKA=∠B+60°、∠AKB=∠C+60°
よって、
△KBC=1/2・BC・KD'=1/2・a・KD'=1/2・KB・KC・sin∠BKC
=1/2・2R2・2R3・sin(A+60°)から、
KD'=4(R2・R3)/a・sin(A+60°)
同様にして、KE'=4(R3・R1)/b・sin(B+60°)、KF'=4(R1・R2)/c・sin(C+60°)
よって、
KD':KE':KF'=sin(A+60°)/aR1:sin(B+60°)/bR2:sin(C+60°)/cR3
定理6と正弦定理より、
KD':KE':KF'=sin(A+60°):sin(B+60°):sin(C+60°)
[定理7] 等力点の三線座標
KD':KE':KF'=sin(A+60°):sin(B+60°):sin(C+60°)
(定点Kの三線座標)
△ABCの外心Oから、BC、CA、ABへの垂線の足を、G、I、J、垂心をHとします。
新ためて、任意の点Pから、BC、CA、ABへの垂線の足を、D、E、F、とします。
OG=OBcos∠BOG=RcosA 等より、
OG:OI:OJ=cosA:cosB:cosC (外心Oの三線座標)
オイラー線の方向ベクトルは、
OH↑=OA↑+OB↑+OC↑
今、PD↑+PE↑+PF↑が、オイラー線と同じ方向のベクトルだとすると、
PD↑⊥BC↑等により、
|PD|×BC↑/|BC|+|PE|×CA↑/|CA|+|PF|×AB↑/|AB|、(PV↑とする)
は、オイラー線に垂直なベクトル
BC↑=OC↑-OB↑、CA↑=OA↑-OC↑、AB↑=OB↑-OA↑より、
|PD|=x、|PE|=y、|PF|=z、とかくと、
PV↑
=y/b(OA↑-OC↑)+z/c(OB↑-OA↑)+x/a(OC↑-OB↑)
=(y/b-z/c)OA↑+(z/c-x/a)OB↑+(x/a-y/b)OC↑
したがって、(OA↑・OA↑)=R²等、(OB↑・OC↑)=(OB²+OC²-BC²)/2=(2R²-a²)/2等を使って、
(OH↑・PV↑)
=(c²-b²)x/2a+(a²-c²)y/2b+(b²-a²)z/2c
OH↑⊥PV↑より、(OH↑・PV↑)=0から、
(c²-b²)x/a+(a²-c²)y/b+(b²-a²)z/c=0
bc(c²-b²)x+ac(a²-c²)y+ab(b²-a²)z=0
これが、PD↑+PE↑+PF↑が、オイラー線と同じ方向になる点Pの三線座標による方程式となります。
[定理8]
PD↑+PE↑+PF↑が、オイラー線と同じ方向になる点Pの
三線座標による方程式
bc(c²-b²)x+ac(a²-c²)y+ab(b²-a²)z=0
疑似重心(ルモアーヌ点)の三線座標、(a、b、c)
外心の三線座標、(cosA、cosB、cosC)=(a(b²+c²-a²)、b(c²+a²-b²)、c(a²+b²-c²)
はこの方程式を満たす。
また、
[定理7]の正三角形の定点K (sin(A+60°)、sin(B+60°)、sin(C+60°))
は、sin(A+60°)=sinAcos60°+cosAsin60°=a/4R+√3/2・(b²+c²-a²)/2bc等より、
この方程式を満たす。
このことから、点(sin(A+θ)、sin(B+θ)、sin(C+θ))
もこの方程式を満たすことにきづく。
θ=0のとき、疑似重心(ルモアーヌ点)、θ=90°のとき、外心である。
x=sin(A+θ)、y=sin(B+θ)、z=sin(C+θ)は、この直線のパラメータ表示であり、
この3式からθを消去すると、
sin(B-C)x+sin(C-A)y+sin(A-B)z=0
がえられる。
[定理9]ブロカール軸
疑似重心、外心をむすぶ直線の三線座標による方程式は、
bc(c²-b²)x+ac(a²-c²)y+ab(b²-a²)z=0
または、
sin(B-C)x+sin(C-A)y+sin(A-B)z=0
[定理10]
三角形に内接する正三角形の定点K(等力点)は、疑似重心、外心を結ぶ直線上にある。
以上のことから、内接する正三角形の重心にもどり考えると、
(BC↑/|BC↑|×d+CA↑/|CA↑|×e+AB↑/|AB|×f
//(BC↑/|BC↑|×sin(A+60°)+CA↑/|CA↑|×sin(B+60°)+AB↑/|AB|×sin(C+60°)
は、オイラー線に垂直な方向ベクトルであることがわかる。
重心の三線座標は、
(2sin(A+60°)+sin(B+60°)cosC+sin(C+60°)cosB、2sin(B+60°)+sin(C+60°)cosA+sin(A+60°)cosC、2sin(C+60°)+sin(A+60°)cosB+sin(B+60°)cosA)
=√3/2・(2sinBsinC+√3sinA、2sinCsinA+√3sinB、2sinAsinB+√3sinC)
GG'↑の方向は、
(sin(B+60°)sinC-sin(C+60°)sinB、sin(C+60°)sinA-sin(A+60°)sinC、sin(A+60°)sinB-sin(B+60°)sinA)
=-√3/2・(sin(B-C)、sin(C-A)、sin(A-B))
x、y、zがその直線上にあるためには、
行列式=0
![](https://image.jimcdn.com/app/cms/image/transf/dimension=624x10000:format=png/path/sb5e86f861a318b02/image/i294db5be54f5a284/version/1440661772/image.png)
この直線の三線座標による方程式は、
{(2sinCsinA+√3sinB)sin(A-B)-(2sinAsinB+√3sinC)sin(C-A)}x
+{(2sinAsinB+√3sinC)sin(B-C)-(2sinBsinC+√3sinA)sin(A-B)}y
+{(2sinBsinC+√3sinA)sin(C-A)-(2sinCsinA+√3sinB)sin(B-C)}z
=0
p(a,b,c)=(2sinasinb+√3sinc)sin(c-a)とすると、
{p(A,B,C)+p(A,C,B)}x+{p(B,A,C)+p(B,C,A)}y+{p(C,A,B)+p(C,B,A)}z=0
(なお、正三角形のオイラー線はなく、点になるので、
軌跡も点になる。)
よって、KONDOの定理が証明された。
[別解]
BC↑、CA↑、AB↑、の単位ベクトルは、それぞれ、(1、0)、(-cosC、sinC)、(-cosB、-sinB)
それぞれに垂直な、OG↑、OI↑、OJ↑、の単位ベクトルは、それぞれ、
(0、-1)、(sinC、cosC)、(-sinB、cosB)
よって、
オイラー線の方向ベクトルは、
OH↑=OA↑+OB↑+OC↑=1/2・(OB↑+OC↑)+1/2・(OA↑+OC↑)+1/2・(OA↑+OB↑)
=OG↑+OI↑+OJ↑
=k1cosA(0、-1)+k1cosB(sinC、cosC)+k1cosC(-sinB、cosB)
(k1は定数)
=k1(sin(C-B)、2cosBcosC-cosA)
KV↑=(BC↑/|BC↑|×k2sin(A+60°)+CA↑/|CA↑|×k2sin(B+60°)+AB↑/|AB|×k2sin(C+60°)(k2は定数)
=k2sin(A+60°)(1、0)+k2sin(B+60°)(-cosC、sinC)+k2sin(C+60°)(-cosB、-sinB)
=√3/2・k2(cosA-2cosBcosC、sin(C-B)
よって、KV↑は、オイラー線に垂直である。
目次
[注]
オイラー線に垂直な直線の1つに、垂軸(垂足軸The orthic axis)
というのがあるそうです。
http://kikagaku.at-ninja.jp/triangle_geometry/orthic_axis.html
垂軸の方程式
cosA・x+cosB・y
+cosC・z=0
さらに、ド・ロンシャン線(The de Longchamps line )
というのもあるそうです。
[注]
点Kを等力点(Isodynamic point)というそうです。
http://kikagaku.at-ninja.jp/triangle_geometry/Isodynamic_points.html
この直線は、ブロカール軸(The Brocard axis)と
いうそうです。