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チェバとメネラウスの「逆」から 3 直線が 1 点で交わる証明

3 本の直線が 1 点で交わることを示すには、ふつう交点を作って 3 本目が通ると言う必要があります。チェバの定理の逆を使うと、その手間が消えます。

辺の比を 3 つ計算して掛け、 になるかを見るだけ。図の中で線を追う作業が、数の計算に置きかわります。

同じ手口がメネラウスの定理でも使えます。こちらは 3 点が 1 直線に並ぶことを示します。

逆の主張

チェバの逆は、比の積が なら 3 本のチェビアンが 1 点で交わる、と述べます[1]。

この等式が成り立てば、AD と BE と CF は 1 点で交わります。

メネラウスの逆は、比の積が で、辺の内部にある点が偶数個なら、3 点が 1 直線に並ぶと述べます[2]。

順の定理と逆の定理は、証明の中で役割が分かれます。順は交点があると分かっている場面で使い、逆は交点があると示したい場面で使う。

証明の骨組み

逆の証明はどちらも同じ形です。まず 2 本の交点を作り、その点を通る 3 本目の足を と名づけます。

については順の定理が使えるので、 を含む積が になります。仮定からも を含む積が 。

2 つの式を割ると が残ります。同じ比で線分を分ける点は 1 つしかないので です[1]。

3 本目は交点を通っていた。示したかった共点性がこれで出ます。

例:3 本の垂線が集まる

各頂点から対辺へ下ろした垂線の足を D、E、F とします。直角三角形の相似から、切られる長さが出ます。

、 のように書けるので、比は です。

残る 2 つも同じ形になり、掛け合わせると 、、 と 3 つの余弦がそれぞれ分子と分母に 1 回ずつ現れます。

積は 。だから 3 本の垂線は 1 点で交わります。その点が垂心です[3]。

例:傍心も同じ道具で出る

角 A の内角の二等分線と、角 B と角 C の外角の二等分線を考えます。この 3 本も 1 点で交わります。

内角の二等分線は対辺を の比に内分し、外角の二等分線は対辺の延長を同じ形の比に外分します。

符号つきで積をとると になる。だから 3 本は 1 点で交わり、その点が傍心です[4]。

内角 3 本のときは内心、内角 1 本と外角 2 本のときは傍心。組み合わせを変えるだけで別の中心が出ます。

内角を 3 本

3 つの比がすべて内分。交点は三角形の内部にある

内角 1 本と外角 2 本

1 つが内分、2 つが外分。交点は三角形の外部にある

メネラウスの逆で共線を示す

3 点が 1 直線に並ぶことを示したいときは、メネラウスの逆を使います。

比を 3 つ計算して掛け、 になり、しかも辺の内部にある点が偶数個であることを確かめる。この 2 つがそろえば共線です[2]。

内部の点の個数を数え忘れると、積が でも共線にならない配置を見落とします。チェバの形も積が になるからです。

例:共線を計算で示す

三角形 ABC の辺 AB を に切る点を F、辺 AC の延長上に となる点を E、辺 BC を に切る点を D とします。

、、。3 つの積は です。

にならないので、この 3 点は 1 直線に並びません。 を にとりかえれば積が になり、共線が成り立ちます。

三角形 ABC で 、 です。AD、BE、CF が 1 点で交わるとき、 はいくつですか。

__RESULT__

なので、 にすれば積が になります。 は逆数をとり忘れた値、 は 3 つを掛け合わせた値です。

まとめ

逆の定理は、幾何の主張を計算に置きかえる道具です。共点も共線も、比の積が かどうかに帰着します。

置きかえたあとは図を見なくてよい。長さの情報だけが与えられた問題で、この性質が効いてきます。

重心、内心、垂心、傍心。教科書に出てくる中心のうち 4 つまでが、この 1 つの道具で片づきます。

参考文献

Theorems of Ceva and Menelaus/04:_Elementary_Euclidean_Geometry/4.03:_Theorems_of_Ceva_and_Menelaus). Modern Geometry, D. Bishop, LibreTexts.
Menelaus theorem. Encyclopedia of Mathematics.
Orthocentre. Encyclopedia of Mathematics.
External Angle Bisectors. Cut the Knot, A. Bogomolny.
共点も共線も、比の積が $1$ かどうかを見るだけで示せます。証明の骨組みは 3 段。2 本の交点を作って 3 本目の足を $D'$ と置き、順の定理で $D'$ の積も $1$ だと出し、2 式を割って $D = D'$ に持ちこむ。同じ比で分ける点は 1 つしかない、という一言が最後を決めます。垂線の足が作る比は 3 辺の長さと余弦がきれいに打ち消し合って積が $1$ になり、垂心の存在が出る。内角 3 本なら内心、内角 1 本と外角 2 本なら傍心と、組み合わせを変えるだけで別の中心が現れます。