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三角形の形は複素数の等式で決まる|直角二等辺かどうかも

三角形 の形は、次の商ひとつで決まります。

絶対値が という辺の比、偏角が角 です[1]。比と角の両方を 1 つの複素数が抱えています。

なら、角が で 2 辺の長さが等しい。直角二等辺三角形だと 1 行で分かります。

値ごとに形が決まる

絶対値と偏角を別々に読むと、条件が素直に並びます。

が実数3 点が一直線に並び、三角形にならない
が純虚数 の角が直角
の二等辺
直角二等辺
正三角形

かつ純虚数なら です。2 つの条件が重なった形が直角二等辺になります[3]

符号の違いは、 のどちら側にあるかを表します。形は同じで、向きが裏返る。

canvas: 式は呼び出しにそのまま書いてください。この引数は焼けません -> drawMath(… formName[index] …)

例:直角二等辺かを調べる

とします。

です。分母を実数化して割ります。

なので直角二等辺です。角度も長さも別々に測らずに済みました。

回転させた位置と読むこともできます。 を掛けることが の回転だからです。

正三角形の条件を式に直す

になる条件を、対称な形へ書き直します。

この 2 つの値は の解です。 を代入して分母を払います。

展開して整理すると、 だけが特別扱いされない形になります。

どの頂点から見ても同じ式です。 の形では が基準になっていましたが、その偏りが消えました。

例:正三角形の条件を数値で見る

とします。 辺が の正三角形です。

左辺は で、。合わせて です。

右辺は 。両辺が合いました。

に変えると、左辺が 、右辺が でずれます。正三角形ではないと判定できる。

相似の条件

2 つの三角形が同じ向きに相似なのは、それぞれの商が等しいときです[1]

商が角と辺の比を両方持っているので、この 1 本で対応する角の相等と辺の比例がそろいます[2]

向きが逆の相似では、右辺の共役をとった形になります。鏡に映した図形が該当する。

例:相似かどうか調べる

の三角形と、 の三角形を比べます。

前者の商は 。後者は です。

一致したので同じ向きに相似。後者は前者を 倍して だけずらした図形になります。

に変えると商が になり、共役の関係。向きが逆の相似で、実軸に関して裏返っています。

例:二等辺三角形の判定

とします。

です。どちらも絶対値が

商の絶対値が なので の二等辺三角形です。頂角は にあります。

商そのものは で、純虚数ではありません。直角ではない二等辺です。

例:頂点の順番を変える

同じ 3 点でも、どの頂点を基準にするかで商が変わります。 なら の角を見ることになる。

正三角形の条件 は順番に依存しません。3 文字を入れかえても式が同じ形に戻ります。

判定したい角が決まっているなら商、形そのものを問うなら対称式。使い分けると計算が短くなります。

の三角形はどんな形ですか。

  • 直角二等辺三角形
  • 正三角形
  • 直角だが二等辺ではない三角形
__RESULT__

なので商は です。純虚数なので の角が直角、絶対値が なので 2 辺の長さが等しく、直角二等辺になります。正三角形なら商が になるはずです。

よくあるミス

商の絶対値だけを見て形を決める。角のほうは偏角に入っています。
純虚数と虚部が でないことを同じ意味だと考える。純虚数は実部が の数です。
正三角形の条件を と覚える。それは重心が原点にある条件です。
相似の判定で、頂点の対応をそろえずに商をとる。対応する頂点を基準にします。
向きが逆の相似を見落とす。共役をとった値と比べる必要があります。
商が実数になったときに計算ミスと決める。3 点が一直線に並んだ合図です。

商をとって、絶対値と偏角を別々に読む。この 2 段で、二等辺も直角も正三角形も相似も同じ道具で判定できます。

出典

Evan Chen. *Bashing Geometry with Complex Numbers*. 2015.
Similar Triangles. Wolfram MathWorld.
Marc Deisenroth. *Complex Numbers*. Revision Notes, Imperial College London, Department of Computing, 2017.
$w = \dfrac{\gamma-\alpha}{\beta-\alpha}$ の絶対値が辺の比、偏角が角 $\beta\alpha\gamma$ です。1 つの複素数が比と角を両方抱えているので、$w=i$ と出れば直角と等長が同時に読めます。実数なら 3 点が一直線、純虚数なら直角、絶対値 $1$ なら二等辺。正三角形は $w$ が $x^2-x+1=0$ の解になる条件から $\alpha^2+\beta^2+\gamma^2 = \alpha\beta+\beta\gamma+\gamma\alpha$ という対称な形へ落ちます。2 つの三角形の商が等しければ同じ向きに相似、共役どうしなら裏返しの相似になる。