■3つの円定理

[1]シュタイナーの定理

 小円を大円の内部におき,この2つの円の中間に次々に接する円列を作る.たいていの場合,最後の円は重なってしまい,この円列は互いに接する円環をなさない.しかしときとして完全な円環をなす場合がある.このとき,最初の円をどこに選ぼうとも完全な円環をなす.

[2]ポンスレーの定理

 小円を大円の内部におく.大円上の点P0から小円へ接線を引き,大円と交わる点をP1とする.P1から再び小円へ接線を引き,大円と交わる点をP2とする.この2つの円の中間に次々に接する接線列を作る.たいていの場合,最後の交点は最初の点P0と重ならない.しかしときとして完全に重なる場合がある.このとき,最初の点P0をどこに選ぼうとも完全な多角形環をなす.

 2つの定理に共通する特徴は2つの円が同心円ならば自明であるということである.シュタイナーの定理はメビウス変換により同心円の場合に帰着させて証明できるが,ポンスレーの定理ではそれができない.

 ポンスレーの定理の場合,直線を直線に移す円板の変換が必要になるが,それは

  x’=(ax+by+c)/(ux+vy+w)

  y’=(dx+ey+f)/(ux+vy+w)

という形の(実)変換である.また,ポンスレーの定理は2つの円を2つの楕円の置き換えても成立する.

 ポンスレーの定理においてn=3の場合,一方の円(半径R)に内接し,もう一方の円(半径r)に外接する三角形は無数にある.これが成り立つための条件は2つの円の中心間距離をdとして,

  R^2−2Rr=d^2

となることである(オイラーの定理).

 四角形やそれ以上のn角形についても同様の定理が成り立ち,ひとつの円に内接し,他の円に外接する四(n)角形は無数にある.オイラーの定理のn角形版として,フースの定理が知られている.たとえば,内接円と外接円の両方をもつ四角形(双心四角形)では,

  2r^2(R^2+d^2)=(R^2−d^2)^2    (フースの定理)

が成り立つ.フースは双心五角形,六角形,七角形,八角形に関する同様の公式も見つけている.

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[3]7円定理

 まず,ひとつの円を描きその周りに6個の円を並べる.それら6つの円はどんな大きさでもよい(直線でもよい)が両隣の円および最初の円に接するようにする.

 このように6個の連結した円の鎖がひとつの円に外接しているとき,6つの円が最初の円に接している接点のうち,相対する点同士を結ぶ3本の直線は1点で交わる.

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