三角形の内接円と傍接円

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ファイル:Incircle and Excircles.svg
三角形（黒）
内接円（青）と内心(I)
傍接円（オレンジ）と傍心(JA,JB,JC)
内角の二等分線（赤）と外角の二等分線（緑）

初等幾何学において三角形の内接円（さんかくけいのないせつえん、英: triangle incircle）とは、その三角形の内部にあり3辺に接する円である。三角形の内部にある円の中で最も面積が大きい円である。内接円の中心を内心 (triangle incenter) と呼ぶ。

傍接円（ぼうせつえん、英: triangle excircle）は、三角形の外側にあり1辺と他の2辺の延長線に接する円である。傍接円の中心を傍心 (triangle excenter) と呼ぶ。全ての三角形は、各辺に接する合計3つの傍接円を持つ。

内心は、3つの角の二等分線上にある。傍心は、1つの角の二等分線と他の2つの角の外角の2等分線上にある。内心と傍心は「三角形の3つの頂点と垂心」という位置関係にある。

三角形の面積との関係

内接円と傍接円の半径は、三角形の面積に関係している。

S を三角形の面積、a, b, c を3辺の長さとしたとき、ヘロンの公式から、

[math] \begin{align} S & {} = \frac{1}{4}\sqrt{(a+b+c)(a-b+c)(b-c+a)(c-a+b)} \\ & {} = \sqrt{s(s-a)(s-b)(s-c)} \end{align} [/math]

ただし、s = (a + b + c)/2 とする。

内接円の半径は、

[math]\frac{2S}{a+b+c} = \sqrt{\frac{(s-a)(s-b)(s-c)}{s}}[/math]

辺 a に対する傍接円の半径は、

[math]\frac{2S}{c-a+b}[/math]

となる。

他の2辺に対する傍接円の半径は同様に

[math]\frac{2S}{a-b+c}[/math], [math]\frac{2S}{b-c+a}[/math]

となる。

これらの式から、傍接円は内接円より大きいことと最も長い辺に対応する傍接円が最も大きいことが分かる。

内接円に関連する点

ファイル:Intouch Triangle and Gergonne Point.svg
△ABCと内接円（青）と内心（青 I）
接点と接点から作られる三角形（赤 Ta, Tb, Tc）とジェルゴンヌ点（緑）

九点円とフォイエルバッハ点

内接円と傍接円は、九点円と接する。この接点をフォイエルバッハ点という。

ジェルゴンヌ点とジェルゴンヌ三角形

頂点を A, B, C とし、内接円が各辺と接する点を TA, TB, TC とする（TA は A の対辺上にあるとする）。⊿TATBTC をジェルゴンヌ三角形という。元の三角形の内接円はこの三角形の外接円になる。3直線 ATA, BTB, CTC は1点で交わる。この点をジェルゴンヌ点という。

ATA, BTB, CTC が1点で交わることから、⊿ABC が不等辺三角形のとき「AB と TATB の交点」「CA と TCTA の交点」「BC と TBTC の交点」は同一直線上にある。この線をジェルゴンヌ線という。⊿ABC が二等辺三角形のときは上記の辺の組のうち1つが平行になるが、残りの2点を結ぶことで直線が定義できる。⊿ABC が正三角形の場合はこの直線は定義できない。

内心の座標

座標平面における内心の座標は、3頂点の重み付き平均の値として求めることができる。

3頂点の座標を (xa,ya), (xb,yb), (xc,yc)、3辺の長さを a, b, c としたとき、

[math]\bigg(\frac{a x_a+b x_b+c x_c}{a+b+c},\frac{a y_a+b y_b+c y_c}{a+b+c}\bigg) = \frac{a}{a+b+c}(x_a,y_a)+\frac{b}{a+b+c}(x_b,y_b)+\frac{c}{a+b+c}(x_c,y_c)[/math].

となる。

  • 三線座標 であらわすと 1 : 1 : 1
    • 絶対三線座標では r : r : r
  • 重心座標 であらわすと a : b : c

となる。

円の式

x : y : z を三線座標であらわしたときの点の座標は、u = cos2(A/2), v = cos2(B/2), w = cos2(C/2) とすると、円上の点に対して以下の式が成り立つ。

  • 内接円: u2x2 + v2y2 + w2z2 - 2vwyz - 2wuzx - 2uvxy = 0
  • A に対する傍接円: u2x2 + v2y2 + w2z2 - 2vwyz + 2wuzx + 2uvxy = 0
  • B に対する傍接円: u2x2 + v2y2 + w2z2 + 2vwyz - 2wuzx + 2uvxy = 0
  • C に対する傍接円: u2x2 + v2y2 + w2z2 + 2vwyz + 2wuzx - 2uvxy = 0

その他の関係

  • 傍心同士・内心と傍心の中点は全て外接円上にある。
  • 3つの傍接円の半径の逆数の和は、内接円の半径の逆数に等しい（ルーリエの定理）。
    • 四面体と内接・傍接球、あるいはさらに高次の単体と内接・傍接球に対しても同様の関係が成り立つ。

関連項目

外部リンク



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