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平行線が線分を同じ比で切る(三角形と比の定理、中点連結定理)

三角形 ABC の辺 AB 上に D、辺 AC 上に E をとり、DE が BC と平行だとします。このとき が成り立ちます。

平行線をどこへ動かしても比は変わらない。切られる長さは変わるのに、2 辺の切られ方だけがそろいます。

この事実が、線分の比を扱うほとんどの道具の土台になります。

三角形と比の定理

ユークリッドは第 6 巻の 2 番目の命題でこれを述べました。三角形の 1 辺に平行な直線は、残りの 2 辺を比例して切る[1]。

証明は面積で進みます。DE を共通の底辺とみると、三角形 BDE と三角形 CDE は同じ平行線のあいだにあるので面積が等しい。

同じ大きさの図形は、第 3 の図形に対して同じ比をもちます。三角形 ADE を第 3 の図形にとると、辺の比が面積の比へ移ります。

高さが同じ三角形どうしの面積比が底辺の比になる、という命題がここで効いています[2]。

逆も同じ命題に入っている

比が等しければ平行になる。ユークリッドは順と逆を 1 つの命題としてまとめています[1]。

から出発すると、面積の比が等しくなり、三角形 BDE と CDE の面積が等しいと分かる。

同じ底辺の上にある面積の等しい三角形は、平行線のあいだにあります。だから DE は BC と平行です。

平行を示したいときにこの逆を使う。長さを測って比を出せば、角度をひとつも測らずに平行が言えます。

例:長さから比を出す

、、 とします。DE が BC と平行なら はいくつか。

なので です。 になります。

比を の形で書き直せば 。 も同じ です。

辺の一部どうしで比べても、辺の全体と比べても、同じ値が出る。使いやすいほうを選びます。

部分と部分で比べる

。平行線が切りとった 2 つのかけらどうしを見る

部分と全体で比べる

。DE の長さもここから出る

が入るのは、部分と全体で比べたときだけです。 の形には が出てきません。

中点連結定理は 1 対 1 の場合

D と E を中点にとると になります。条件を満たすので DE と BC は平行です[1]。

さらに なので 。中点をつなぐ線分は、残る辺の半分の長さになります。

平行だという主張は切片定理の逆から、長さが半分だという主張は切片定理そのものから出ます[3]。

例:中点連結を 2 回使う

の三角形で、AB と AC の中点を M、N とすると です。

さらに AM と AN の中点をとって結ぶと、その線分は の半分で 。半分にする操作は何度でも続きます。

三角形の中に、長さが 、、 と縮む平行な線分が並ぶ。等比数列がそのまま図に現れます。

例:台形で使う

台形 ABCD で と が平行、辺 AB の中点を M、辺 DC の中点を N とします。

対角線 AC を引くと、三角形 ABC と三角形 ACD の 2 つに分かれる。それぞれで中点連結定理を使います。

AC の中点を P とすると 、 です。

台形の中点をつなぐ線分は、上底と下底の平均になる。三角形の結果を 2 回重ねただけです。

平行線が何本あっても同じ

平行な直線を 3 本以上引き、2 本の直線で横切ると、切りとられた線分の比はどちらの直線でも等しくなります。

三角形の場合を繰り返し当てるだけで示せる。頂点が無限に遠くへ行った三角形だと思ってもよい。

例:線分を 5 等分する作図

定規とコンパスで長さを測らずに 5 等分できます。線分 AB の A から、適当な向きに半直線を引く。

その半直線に、コンパスで同じ長さの目盛りを 5 つ刻みます。5 つ目の点を C とし、C と B を結ぶ。

残り 4 つの目盛りから CB に平行な直線を引くと、AB が 5 等分されます。平行線が比を保つからです。

同じ手順で任意の 等分ができる。目盛りの長さがいくつであっても結果は変わりません。

三角形 ABC で D は辺 AB 上、E は辺 AC 上にあり、DE と BC は平行です。、、 のとき はいくつですか。

__RESULT__

なので です。。 は を使った値、 は を に当ててしまった値です。

補足

比が等しくても平行にならない場合があります。D が辺 AB 上、E が辺 AC の延長上にあるときです。

このときは を符号つきで読む必要が出てきます。高校の範囲では、D と E がどちらも辺の上にあるかを先に確かめます。

図がなく長さだけ与えられた問題では、この確認が抜けやすい。図を描いてから比を当てます。

参考文献

Euclid's *Elements*, Book VI, Proposition 2. D. E. Joyce, Clark University.
Euclid's *Elements*, Book VI, Proposition 1. D. E. Joyce, Clark University.
Beweis mit Strahlensätzen. R. Albers, Universität Bremen.
三角形の 1 辺に平行な直線は、残る 2 辺を同じ比で切ります。証明は面積で進む。$DE$ を底辺に見ると三角形 $BDE$ と $CDE$ は高さが等しく、面積の比がそのまま辺の比に移ります。比が等しければ平行という逆も同じ命題に入っていて、長さを測るだけで平行が言える。$D$ と $E$ を中点にとった $1:1$ の場合が中点連結定理で、$DE$ は $BC$ の半分。台形では対角線で 2 つの三角形に割ると、中点を結ぶ線分が上底と下底の平均になります。線分を 5 等分する作図もここから出る。