蝴蝶定理                                戻る

 当HPの掲示板「出会いの泉」で、aaa 様より紹介されたHPを拝見したところ、とても興
味ある幾何の定理が紹介されていた。

   円Oにおいて、弦ABを引き、その中点
  をMとする。

   さらに、Mを通る任意の2つの弦PQ、
  RSを引く。

   これらの弦の端点PとR、QとSを結び、
  弦ABとの交点をそれぞれC、Dとする。

   このとき、Mは、線分CDの中点となる。

 この定理は、羽を開いた蝶を真上から描いたように見えるので、蝴蝶定理と言われる。

とても、美しい定理で、思わず感動してしまった。

 aaa 様より紹介されたHPでは、証明が書かれていないようなので、証明を知りたいと
いう衝動にかられた。

 この「蝴蝶定理」で検索すると、中国のものばかりがヒットした。(漢字ばかりに思わず閉口!)

また、「Butterfly Theorem」として検索をかけると、案の定、英語のHPサイトがヒットする。
何れも、日本語のサイトはあまり(ほとんど?)登録されていないようだ。

(かなり有名な定理なようで、30年ほど前に数学セミナーにも紹介されたそうである。(広島工業大学
大川研究室より情報提供) したがって、日本語のサイトもあると思うのだが、現在、aaa 様より紹介さ
れたHP以外見つけていない。
)

 なお、蝴蝶定理について、1815年に Horner’s method で有名な W.G.Horner が
一つの証明を与えたとのことである。

 いろいろなHPサイトで行われている証明を参考に、少し整理したいと思う。

(証) 与えられた図において、線分ABの
   垂直2等分線と円との交点を、E、F
   とする。

 線分EFに関して点Pと対称な点を、P’
とする。

 △MPCと△MP’Dについて考える。

 対称性から、MP=MP’ ・・・ (1)

    ∠PMC=∠P’MD ・・・ (2)

 円周角の定理より、
    ∠MPC=∠MSD

 また、4点P、P’、S、Qが同一円周上に
  
あるので、

 ∠P’PQ+∠QSP’=180° が成り立つ。さらに線分PP’と線分ABは平行なので、

 ∠P’MD=∠P’PQ  より、 ∠P’MD+∠QSP’=180° すなわち、

 ∠P’MD+∠DSP’=180° が成り立つ。

 よって、4点M、D、S、P’は同一円周上にある。

 このことから、円周角の定理により、 ∠MP’D=∠MSD

 したがって、 ∠MPC=∠MP’D ・・・ (3)

(1)(2)(3)により、 △MPC≡△MP’D  であるので、 MC=MD となる。(証終)

 上記の証明は、初等幾何的証明であるが、三角比を用いると、次のようにも証明する
ことが出来る。

 (別証) AB=2k 、MC=m、MD=n と
      おく。

   △MPCにおいて、正弦定理により、

      

   △MRCにおいて、正弦定理により、

      

    方べきの定理より、 AC×BC=PC×RC なので、上式を代入して、

             
   が成り立つ。同様にして、
             

   これより、 (k2−m2)/m2=(k2−n2)/n2 なので、 k2m2=k2n2 から

    m = n が成り立ち、 MC=MD となる。(証終) 

 当初、冒頭の証明が最も初等的で分かりやすいと思ったが、その後の調査で、もっと簡
明な初等幾何的証明があるようだ。

(Shklyarsky による証明)

(証) 円の中心Oと点Mを結び、さらに、
   点Oより弦PR、SQにそれぞれ垂
   線の足E、Fを下ろす。E、Fはそれ
   ぞれの弦の中点である。

   △MRP∽△MQS なので、
      RP:RM=QS:QM
   すなわち、
      RE:RM=QF:QM
   が成り立つ。

  また、∠MRP=∠MQS なので、
 △MRE∽△MQF となる。

   よって、 ∠MER=∠MFQ

  
 ところで、∠OEC+OMC=180°なので、4点O,E,C,Mは同一円周上にある。

よって、 ∠MER=∠MOC で、また、同様にして、 ∠MFQ=∠MOD である。

 このとき、 ∠MER=∠MFQ なので、 ∠MOC=∠MOD となる。

また、OMは共通なので、2つの直角三角形OMCとOMDにおいて、

   △OMC≡△OMD  となり、したがって、 MC=MD が成り立つ。(証終) 

 また、Coxeter and Greitzerl によれば、次のような証明も考えられる。

(証) AB=2a 、MC=m 、MD=n とし、
   2点C、Dより弦PQ、RSに垂線を下ろし、
   その長さをそれぞれ c、d、e、f とする。

   △MCX∽△MDW より、 m/n=c/f
   △MCZ∽△MDY より、 m/n=e/d
   △PCX∽△SDY より、 c/d=PC/SD
   △RCZ∽△QDW より、 e/f=RC/QD

  このとき、 (m/n)2=(c/d)(e/f)
             =(PC・RC)/(SD・DQ)

  また、方べきの定理より、
   PC・RC=AC・BC=(a−m)(a+m)
   SD・DQ=AD・BD=(a+n)(a−n)
  が成り立つ。
 
 よって、  m2(a+n)(a−n)=n2(a−m)(a+m) より、 m=n が成り立つ。(証終)

 さらに、メネラウスの定理を用いて証明する方法もある。あまりに技巧的なところに思わ
ず唸ってしまう。

(証) 円Oにおいて、弦ABを引き、その
   中点をMとする。

 また円外の1点Xより2つの割線XPR、
XSQを引き弦ABとの交点をそれぞれC、
Dとする。

 さらに、2点PとQ、2点RとSを結び、弦
ABとの交点をそれぞれE、Fとする。

 △XCDにおいて、メネラウスの定理よ
り、次の2つの等式が成り立つ。

  (CP/PX)・(XQ/QD)・(DF/FC)=1

  (CR/RX)・(XS/SD)・(DE/EC)=1

 2つの式を辺々かけて、

  
 (CP・CR/PX・RX)・(XQ・XS/QD・SD)・(DE・DF/EC・FC)=1

ここで、方べきの定理より、

    CP・CR=CA・CB 、 PX・RX=XQ・XS 、 QD・SD=DA・DB

なので、  (CA・CB/DA・DB)・(DE・DF/EC・FC)=1 が成り立つ。

 いま、ここで、E=F=M とすると、上式から、

       (CA・CB/DA・DB)・(MD/MC)2=1

が成り立つ。 AB=2a 、MC=x 、MD=y とおくと、上式は、

     (a−x)(a+x)y2=(a+y)(a−y)x2

となり、明らかに、 x=y が成り立つ。 したがって、 MC=MD が成り立つ。(証終) 

(コメント) この証明の面白いところは、上記証明中には明記していないが、EとFが限り
      なくMに近づくという極限の状態で証明しているところだろう。従って、PRとQS
      が平行になる場合の疑問にも耐えうるものと考える。

  上記の証明で、「ここで、E=F=M とすると、」としたが、ME=MF=b であるよう
 にはじめから設定しておくと、面白いことに、MC=MD が示される。(b=0 の場合が、
 蝴蝶定理である。)

  このことを示唆した人は、M.Klamkin(1965)で、蝴蝶定理の一般化を与えている
 といえる。

   円Oにおいて、弦ABを引き、その中点
  をMとする。

   さらに、弦AB上に、ME=MFとなる2
  点E、Fをとる。

   E、Fを通る任意の2つの弦PQ、RSを
  引く。ただし、これらの弦は円内で交わる
  ものとする。

   これらの弦の端点PとR、QとSを結び、
  弦ABとの交点をそれぞれC、Dとする。

   2つの弦PRとQSの延長は、円外の1
  点Xで交わるものとする。

   このとき、Mは、線分CDの中点となる。

(証) △XCDにおいて、メネラウスの定理より、次の2つの等式が成り立つ。

    (CP/PX)・(XQ/QD)・(DF/FC)=1 、 (CR/RX)・(XS/SD)・(DE/EC)=1

   2つの式を辺々かけて、

    (CP・CR/PX・RX)・(XQ・XS/QD・SD)・(DE・DF/EC・FC)=1

   ここで、方べきの定理より、

      CP・CR=CA・CB 、 PX・RX=XQ・XS 、 QD・SD=DA・DB

   なので、  (CA・CB/DA・DB)・(DE・DF/EC・FC)=1 が成り立つ。

 いま、 AB=2a 、MC=x 、MD=y 、ME=MF=B とおくと、上式は、

     (a−x)(a+x)/{(a+y)(a−y)}・(y+b)(y−b)/{(x−b)(x+b)}=1

 よって、 (a2−x2)(y2−b2)=(a2−y2)(x2−b2) より、 (a2−b2)(x2−y2)=0

 となり、明らかに、 x=y が成り立つ。 したがって、 MC=MD が成り立つ。(証終)


 また、面積計算から示す方法も面白いと思う。

(証) 左図において、
   △MPC/△MQD=MP・MC/MQ・MD
   △MQD/△MRC=MQ・DQ/MR・CR
   △MRC/△MSD=MR・MC/MS・MD
   △MSD/△MPC=MS・DS/MP・CP
  が成り立つ。

  これらを辺々かけて、
   MC2・DQ・DS/MD2・CR・CP=1

  ここで、方べきの定理より、
  DQ・DS=DA・DB、CR・CP=CA・CB
 が成り立つ。

  これより、 MC=MD が成り立つことが
 分かる。(証終)
  

 何となくこれまで、座標幾何による証明を避けてきた。多分計算が煩雑になるだろうとい
う理由からである。

 このことについて、次のような証明が知られているようだ。

         

(証) 上図において、M( 0 , 0 )、OM=h、半径を r とすると、

   円Oの方程式は、 x2+(y−h)2 = r2 となる。

    いま、直線PQ、RSの方程式を、それぞれ y = nx 、y = mx とおく。

   この2直線と円との交点P、Q、R、Sの座標を、それぞれ

    ( α1, β1 ) 、( α2 , β2 ) 、( α3 , β3 ) 、( α4 , β4)

   とおく。 また、 C( c , 0 ) 、D( d , 0 ) とおく。

  x2+(y−h)2 = r2 に、 y = nx を代入して整理すると、

     (n2+1)x2−2nhx+h2−r2=0

 解と係数の関係により、 α1+ α2 = 2nh/(n2+1) 、α1・α2 = (h2−r2)/(n2+1)

 同様にして、  x2+(y−h)2 = r2 に、 y = mx を代入して整理すると、

     (m2+1)x2−2mhx+h2−r2=0

 解と係数の関係により、 α3 + α4 = 2mh/(m2+1) 、α3・α4 = (h2−r2)/(m2+1)

  以上の4式より、 n・α1・α2/( α1 + α2 ) = m・α3・α4/( α3 + α4 )

 すなわち、  (nα1−mα3)/(nα2−mα4)=−α1α3/α2α4  が成り立つ。

 このとき、点Cについて、水色の三角形は相似なので、 α3−c : c−α1 = −mα3 : nα1

 よって、  c = (n−m)α1α3/(nα1−mα3) である。

 同様にして、点Dについて、水色の三角形は相似なので、

       α4−d : d−α2 = mα4 : −nα2

 よって、  d = (n−m)α2α4/(nα2−mα4) である。

 このとき、 d/c = (α2α4/α1α3)(nα1−mα3)/(nα2−mα4) = −1 となり、

 d = −c すなわち、 MC=MD が成り立つ。(証終)

(コメント) 単なる計算なのだが、目標に向かっての巧妙な仕掛けが散りばめられていて、
      ワクワクしますね!


 さて、M.Klamkin(1965)により与えられた一般の蝴蝶定理以外にも、次のような形に
一般化することもできる。

定理(Better Butterfly Theorem)

  2つの同心円Oにおいて、弦ABを引き、
 その中点を、Mとする。

  さらに、Mを通る任意の2つの弦PP’Q’Q、
 RR’S’Sを引く。

  点P’とR、点PとR’、点SとQ’、点S’とQ
 を結び弦ABとの交点をそれぞれC、D、E、
 Fとする。

  このとき、次の等式が成り立つ。


    



(注意) 2つの同心円が一つの円になるとき、2点CとD、2点EとFは一致し、蝴蝶定理の
    結果を得ることができる。

 この定理を証明するために、次の事実が有効に用いられる。


  左図の△ABCにおいて、

    

 が成り立つ。



      この事実の証明は易しい。

          △ABC=△ABD+△ACD なので、

          (1/2)・x・y・sin (α+β)=(1/2)・x・z・sin α + (1/2)・z・y・sin β

      が成り立つ。この式より、所要の結果が得られる。


 この事実を用いて、いよいよ定理の証明に入ろう。

(証) 与えられた図において、M1、M2
   を定める。

 △MP’R において、

   sin(α+β)/MC
  =sinβ/MP’+sinα/MR

同様にして、 △MPR’ において、

   sin(α+β)/MD
  =sinβ/MP+sinα/MR’

 △MSQ’ において、

   sin(α+β)/ME
  =sinβ/MQ’+sinα/MS

  
 △MS’Q において、   sin(α+β)/MF=sinβ/MQ+sinα/MS’

が成り立つ。 したがって、

  sin(α+β)(1/MC+1/MD−1/ME−1/MF)

 =sinβ/MP’+sinα/MR+sinβ/MP+sinα/MR’

  −sinβ/MQ’−sinα/MS−sinβ/MQ−sinα/MS’

 =sinα(1/MR−1/MS)+sinα(1/MR’−1/MS’)

  +sinβ(1/MP−1/MQ)+sinβ(1/MP’−1/MQ’)

 ここで、方べきの定理より、 MP・MQ=MR・MS

                  MP’・MQ’=MR’・MS’

が成り立ち、さらに、 MP−MQ=MP’−MQ’=2MM1=2OMsinα

              MS−MR=MS’−MR’=2MM2=2OMsinβ

であるので、  sin(α+β)(1/MC+1/MD−1/ME−1/MF)=0

となる。 よって、
            

が成り立つ。(証終)

(コメント) この証明では、三角比が用いられているが、もっと初等幾何的な証明はできな
      いものだろうか?


 蝴蝶定理の新たな拡張として、次のような事実が成り立つことを最近知ることが出来た。

 北海道の高倉 亘 さんという方が、「初等幾何における抽象化と一般化」の中で、次の
性質について証明されている。

 円Oにおいて、弦ABを引き、その中点をMとする。さらに、Mを通る2つの弦PQ、
RSを引く。ただし、直線PS、直線QRは、直線ABと交わるものとする。

 その交点をC、Dとするとき、Mは、線分CDの中点となる。




 証明については、少し文言等を整理して示したいと思う。

(証明) 下図のように、Oより、線分PS、QRに垂線OE、OFを下ろす。



 直角三角形OMCと直角三角形OMDにおいて、両者が合同であることを示せばよい。

 まず、∠OMC=∠OFC=90°より、4点O、M、F、C は同一円周上にある。

よって、 ∠MOC=∠MFQ である。

 同様に、∠OMD=∠OED=90°より、4点O、M、D、E は同一円周上にある。

よって、 ∠MOD=∠MES である。

 ここで、 △MPS∽△MRQ なので、 △MES∽△MFQ である。

よって、 ∠MFQ=∠MES なので、 ∠MOC=∠MOD が成り立つ。

 OMは共通なので、 直角三角形OMC≡直角三角形OMD

したがって、 MC=MD となり、Mは線分CDの中点となる。(証終)

(コメント) 蝴蝶定理の新たな進展に感動しました。高倉さんに感謝いたします。

 M.Klamkin(1965)による拡張と、北海道の高倉さんによる拡張をまとめて、次のよう
に、蝴蝶定理の新たな拡張を発見された方がおられる。(平成17年12月2日付け)

 HPサイト:「数学教材の部屋」に、そのことが詳しく述べられている。

  CABRI JAVA APPLETによる数学教材 : 「胡蝶定理とその応用」

 上記のことを、当HPの統一した記号を用いると、次のようになるであろう。

 円Oにおいて、弦ABを引き、その中点をMとする。さらに、弦AB上に ME=MF と
なる2点E、Fをとり、2点E、Fを通る2つの弦PQ、RSを引く。ただし、直線PS、QR
は、直線ABと交わるものとする。その交点をC、Dとする。
 このとき、次が成り立つ。
(1) Mは、線分CDの中点である。  (2) Mは、線分XYの中点である。




 証明は、「胡蝶定理とその応用」をご覧下さい。

(コメント) (2)は、M.Klamkin(1965)による拡張と同じですが、(1)は、高倉さんのも
      のを、より一般化したもので成り立つことに感動しました!証明も、対称な点を利
      用したもので分かりやすかったです。「数学教材の部屋」様に感謝いたします。


   以下、工事中