デザルグの定理とその三通りの証明
三角形 と がある。このとき,
,,
が1点
で交わる
→
と
の交点
,
と
の交点
,
と
の交点
は同一直線上にある。
デザルグの定理の証明を3通り解説します。いずれも非常に美しいです。
デザルグの定理について
デザルグの定理について
- 実はデザルグの定理の逆(上記の→を←に変えたもの)も成立します。
- 二つの三角形の位置関係(例えば重なっていたりとか)や向きによって図は大きく異なってきます。そのため,どのパターンにも対応できるような,図に依存しない証明はけっこう大変です。以下の証明2は図に依存した証明に見えますが,他の図の場合も対応できます。
証明1:メネラウスの定理を使う方法
証明2:複比を用いる方法
証明3:三次元のデザルグの定理を証明する方法
証明3は厳密ではありませんが大雑把な理解にどうぞ。
デザルグの定理の証明1
デザルグの定理の証明1
「メネラウス三発」で証明します。
三角形 と直線 にメネラウスの定理を用いる:
三角形 と直線 にメネラウスの定理を用いる:
三角形 と直線 にメネラウスの定理を用いる:
この三つの式を全てかけ合わせると,
となり,拡張されたメネラウスの定理の逆より が一直線上にあることが分かる。
メネラウスの定理の拡張については,メネラウスの定理の覚え方と拡張を参照して下さい。
デザルグの定理の証明2
デザルグの定理の証明2
複比の不変性を使います。→複比の定義と複比が不変であることの証明
美しいですが,けっこう難しいです。
直線 と との交点をそれぞれ とする。(図では ははるか左, ははるか右にあります。)
を中心とした複比の不変性より,
を中心とした複比の不変性より,
よって,
と の交点を とおき, が同一直線上にあることをいえばよい。
つまり, と の交点 が と一致することをいえばよい。
これは を中心とした複比の不変性より,
となるのでさきほどの式と比較して がいえる。
デザルグの定理の証明3(厳密でない)
デザルグの定理の証明3(厳密でない)
三次元のデザルグの定理を利用します。
まず,三角形 と三角形 が三次元空間にあり,それぞれを含む空間が平行でない場合を考える。この二つの平面の交線を とおく。また, が一点 で交わるので は同一平面 上にある。つまり, と は交点 を持つ。 は 上にあり, 上にもあるので交線 上にある。同様に も 上にあるので は同一直線上にある。
三角形 と が同一平面上にある場合は,まずそれらを少し「持ち上げて」三次元空間の場合のデザルグの定理に帰着させる。
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この「持ち上げる」というのは射影変換という道具で厳密に説明されますが,射影は複雑なのでここでは扱いません。気になる方は下記のpdfファイルを参照して下さい。→デザルグの定理 (外部pdfです,pdfの作成者に感謝m(__)m)
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例えば と 平行な場合は交点を「無限遠点」とするなどの例外的な処理が必要です。
射影幾何学も奥が深そうです。