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外接円を単位円にとると垂心は 3 頂点の和(オイラー線まで)

外接円を単位円にとると、垂心はただの和になる[1]。

3 つの頂点を足すだけである。同じ置き方で外心は 、重心は になる[1]。

外心を原点へ置く

三角形は回しても平行移動しても形が変わらない。だから外接円の中心を原点、半径を にとってよい。

このとき である。外心は原点なので、求める手間が消える。

さらに が使える[1]。共役が分数に化けるので、式の見通しがよくなる。

和が垂心になることを見る

が垂心なら、 から へ向かう向きが辺 と直角になるはずである。

なので、次の商が純虚数かどうかを調べればよい。

共役をとる。、 を入れる。

分子と分母に を掛けただけで、符号が反転した。 は純虚数の条件である[1]。

から への向きが と直角になった。 と についても同じ計算が通るので、3 本の垂線が で交わる。

例:直角三角形で確かめる

、、 をとる。どれも絶対値が で、単位円の上にある。

と は直径の両端なので、 の角が直角である。直角三角形の垂心は、直角の頂点そのもの。

和は で、 と一致した。定理の言うとおりになっている。

オイラー線が落ちてくる

外心が 、重心が 、垂心が である[1]。

垂心は重心のちょうど 倍。原点を通る同じ向きの点なので、3 つは一直線に並ぶ。

外心から重心までが 、重心から垂心までが である。比は になる[3]。

この直線がオイラー線と呼ばれる[2]。垂心の式を書いた時点で、並ぶことも比も出てしまう。

外心が原点でないとき

単位円に合わせられない場合もある。座標が先に決まっている問題ではそうなる。

外心を とすると、垂心は次の形になる。

を入れると和に戻る。全体を だけ平行移動して原点へ持っていき、和をとってから戻した形である。

平行移動で 頂点それぞれが ずれるので、和は ずれる。戻すときに を足すので、差し引き が残る。

例:座標が決まっている三角形

、、 をとる。外心は と分かっているとする。

垂心は である。実際に垂線を引いて確かめる。

から辺 すなわち実軸へ下ろす垂線は の直線。 から辺 へ下ろす垂線は、辺の向き と直角なので の直線である。

交点は で、 と合った。

例:オイラー線の比を確かめる

同じ三角形で重心を出す。 である。

外心 からの差をとる。重心までが 、垂心までが 。

後者は前者のちょうど 倍である。3 点が一直線に並び、外心から重心までと重心から垂心までの比が になっている[3]。

外心を単位円の中心にとる
重心
垂心
外心が のとき垂心
オイラー線の比外心から重心が 、重心から垂心が

単位円上に 、、 をとったとき、垂心はどれか。

__RESULT__

和は である。 と が直径の両端なので の角が直角で、垂心は直角の頂点 に一致する。 は外心、 は頂点 そのもの。

外心を原点へ置く。その一手だけで、垂心が和、重心が和の 分の になり、オイラー線が式の上に現れる。

参考

Evan Chen. *Bashing Geometry with Complex Numbers*. 2015.
Orthocenter. Wolfram MathWorld.
Euler Line. Wolfram MathWorld.
外心を原点、外接円の半径を $1$ にとると、垂心は $\alpha+\beta+\gamma$ という和になります。三角形は回しても移してもよいので、この置き方が許される。$|\alpha|=1$ から $\bar{\alpha}=\frac{1}{\alpha}$ が使え、$\frac{\beta+\gamma}{\beta-\gamma}$ の共役をとると符号が反転して純虚数、つまり直角だと出ます。外心 $0$、重心 $\frac{\alpha+\beta+\gamma}{3}$、垂心 $\alpha+\beta+\gamma$ が並ぶので、オイラー線と $1:2$ の比もその場で落ちる。外心が原点でないときは $\alpha+\beta+\gamma-2\omega$ になります。