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4 点が同じ円周上に乗るかは複比で決まる

4 点 、、、 が同じ円周上に乗るのは、次の値が実数のときである[1]。

複比と呼ばれる量である[2]。一直線に並ぶ場合も、この条件に含まれる。

円周角がそろうかを見ている

の偏角は、 から と を見込む角である[1]。

同じように の偏角は、 から見込む角になる。

2 つの角が等しければ、 と は線分 を同じ角で見込んでいる。円周角は中心角の半分なので、同じ弧を見込む角どうしは等しい[3]。逆にたどれば、4 点は同じ円の上にある。

角が等しいことは、商の偏角が になること。つまり複比が実数になることである。

から見込む角を商で表す

から見込む角も商で表す

2 つの商を割って実数かどうかを見る

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(… seeName[index] …)

例:単位円上の 4 点

、、、 をとる。どれも絶対値が である。

になる。

である。

割ると 。実数なので 4 点は同じ円の上にある。

例:外れている場合

を に変える。原点は単位円の上にない。

である。

複比は で、実数ではない。判定どおり外れている。

例:一直線の場合

、、、 をとる。すべて実軸の上にある。

、 である。

複比は で実数になった。直線も条件をみたす[2]。

半径を大きくしていくと円は直線に近づく。直線を「半径が無限大の円」と見ると、両方を 1 つの条件で書けることになる。

例:円周上に来るよう定数を決める

、、 に対し、 が同じ円の上に来る実数 を探す。ただし とする。

である。

を計算する。分母を実数化すると になる。

複比が実数になるには、 をこれで割った値の虚部が であればよい。分母側の が の実数倍になる条件から、 が出る。

である。 とすると、4 点は中心 、半径 の円の上に並ぶ。

例:円の中心と半径で確かめる

3 点 、、 を通る円を出す。垂直二等分線を 2 本立てる。

と からは 、 と からは 。交点は で、半径は である。

との距離は 。確かに同じ円の上に乗った。

複比で調べる道と、円を作って距離を測る道は同じ答えに着く。前者は円の中心を求めずに済む。

円と直線をまとめて扱う

複比の条件は、円と直線を区別しない[2]。どちらでも実数になる。

これは不便に見えて、実は便利な性質である。反転や 1 次分数変換では円が直線に化けることがあり、そのたびに場合分けするのは重い。

「円か直線か」ではなく「円と直線をあわせたもの」として一つの言葉で扱う。複比はその言葉に合う道具になっている。

複比
実数になる4 点が同一円周上か一直線
の偏角 から を見込む角
実数の判定

、、、 の 4 点はどんな関係か。

  • 同一円周上にある
  • 一直線に並ぶ
  • どちらでもない
__RESULT__

、 である。複比は で実数なので同一円周上にある。正方形の 4 頂点で、中心 、半径 の円に乗っている。

見込む角がそろうかどうか。円周角の定理をそのまま式にしたものが複比で、実数になるかを見るだけで 4 点の関係が決まる。

参考

Evan Chen. *Bashing Geometry with Complex Numbers*. 2015.
Cross Ratio. Wolfram MathWorld.
Inscribed Angle. Wolfram MathWorld.
$\dfrac{\gamma-\alpha}{\gamma-\beta} \div \dfrac{\delta-\alpha}{\delta-\beta}$ が実数なら、4 点は同一円周上にあります。前半の偏角が $\gamma$ から線分 $\alpha\beta$ を見込む角、後半が $\delta$ から見込む角なので、割って実数になることは 2 つの角が等しいことにほかならない。円周角の定理をそのまま式にした形です。一直線に並ぶ場合も同じ条件をみたすので、円と直線を区別せずに扱えます。単位円上の 4 点、外れた点、正方形の頂点で数値を追い、円周上に来るよう定数を決める問題まで並べました。