いろは3025218 views
教育150077 views
Computer370048 views
高校物理162509 views
ヒストリア294981 views
小学算数1203731 views
高校化学2933198 views
MathPython501700 views
高校国語790013 views
中学英語813624 views
Help
Tools

English

外心はどこに来るか?複素数で垂直二等分線を 2 本立てる

外心は 3 頂点から等しい距離にある点です[2]。複素数では次の 1 行で書けます。

等式が 2 本入っているので、垂直二等分線を 2 本立てて交点を求める形になります[2]。

等式 1 本が垂直二等分線

は、 と から等距離の点の集合です。線分 の垂直二等分線になります。

両辺を 乗して に置きかえると、根号が消えて 1 次式になります[3]。

が両辺から消えるところが要点です。残るのは と の 1 次式で、これが直線を表します。

2 本立てて連立する

と を並べます。1 次式が 2 本そろう。

と置けば、 と の連立 1 次方程式になります。3 点が一直線に並んでいなければ、解はただ 1 つ。

一直線に並ぶと 2 本の垂直二等分線が平行になり、交わりません。三角形にならない場合は外心もありません。

乗して に置きかえる

が消えて 1 次式になる

2 本を連立して交点を出す

例:、、 の外心

から始めます。 乗して展開すると 。

なので 、つまり です。線分 – の垂直二等分線になりました。

次に を立てます。 なので、。

を入れると 、つまり です。 を代入して 。

外心は になります。半径は 。

例:半径をたしかめる

、 です。

3 つとも でそろいました。外接円の半径がこの値になります。

半径を出しておくと、円の方程式 がそのまま書けます。

直角三角形なら中点で終わる

直角三角形では、外心が斜辺の中点になります[2]。連立を解かずに済む。

、、 を頂点にとると、原点で直角です。斜辺は と を結ぶ線分。

中点は です。3 頂点との距離はどれも になります。

半円に内接する角が直角になる関係の裏返しで、斜辺が直径になっています。

外接円を単位円にとる

問題の側で三角形が動かせるなら、外接円を単位円に合わせると計算が軽くなります[1]。

このとき で、外心は原点そのもの。求める手間が消えます。

さらに の上では が使えるので、共役が分数に化けて式が短くなります[1]。

例:単位円にのせて確かめる

、、 とします。どれも絶対値が です。

外心は のはず。、、 で、確かに等距離になりました。

半径は 。 が半円の上にあるので、 と を結ぶ線分が直径で、 の角が直角です。

行列式で一気に書く

一般の 3 点に対しては、外心を行列式の比として書く形もあります[1]。

分母は 3 点の共線条件に現れる行列式です。一直線に並ぶと になり、外心が存在しないことと合います。

手計算では連立のほうが速い。式の形として押さえておく価値のある表し方です。

定義
1 本の等式線分の垂直二等分線
鋭角三角形外心は内部
直角三角形外心は斜辺の中点
鈍角三角形外心は外部

、、 を頂点とする三角形の外心はどれですか。

__RESULT__

原点で直角なので、外心は斜辺の中点です。斜辺は と を結ぶ線分なので 。 は実部と虚部を入れかえた値、 は重心にあたります。

検算

出た点が三角形のどこにあるかを見ます。鋭角なら内部、直角なら斜辺の上、鈍角なら外部に出るはずです[2]。

内部に来るはずの三角形で外へ飛んでいれば、連立のどこかで符号を落としています。

半径を出して、3 頂点すべてでそろうかも確かめられます。1 つだけずれていれば、その頂点の式に誤りがある。

外心は「等距離」という 1 つの言葉から出ます。距離を 乗して を消すところまで来れば、あとは連立 1 次方程式です。

出典

Evan Chen. *Bashing Geometry with Complex Numbers*. 2015.
Circumcenter. Wolfram MathWorld.
Marc Deisenroth. *Complex Numbers*. Revision Notes, Imperial College London, Department of Computing, 2017.
外心の定義は $|z-\alpha| = |z-\beta| = |z-\gamma|$ の 1 行です。等式が 2 本入っているので、垂直二等分線を 2 本立てて交点をとる形になります。両辺を 2 乗して $|w|^2 = w\bar{w}$ に置きかえると $|z|^2$ が消え、$z$ と $\bar{z}$ の 1 次式が残る。$0$、$6$、$2+4i$ では $x=3$ と $x+2y=5$ を連立して外心 $3+i$、半径 $\sqrt{10}$ が出ます。直角三角形なら斜辺の中点で終わり、外接円を単位円にとれば外心は原点そのもの。行列式で書く形も添えました。