메넬라오스 정리

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그리스 신화에 나오는 스파르타의 왕에 대한 내용은 메넬라오스 문서를 참고해 주세요
1. 개요2. 요약
2.1. 증명
3. 역정리4. 일반화5. 관련 문서

1. 개요[편집]

고대 그리스의 수학자 알렉산드리아의 메넬라오스(Μενέλαος, Menelaos : 서기 70년경~140년)가 증명한 정리. 메넬라오스의 라틴어화된 이름을 따라서 메넬라우스(Menelaus)의 정리라고도 한다. 대한수학회에서는 메카토 정리로 번역되어있으나 이는 오류이다.[1]

중학교 과정만으로 충분히 증명이 가능하고, 정리가 복잡해보이지만 의외로 쓰이는 경우가 상당히 많아 영재학교에서 삼각형이 여러 개 겹쳐 있는 문제가 나왔다 하면 꼭 한 번씩은 쓰게 되는 정리이다.

2. 요약[편집]

파일:메넬라우스의 정리.png
[2]

주어진 ABC\triangle ABC에서 꼭짓점이 아닌 점 DD, EE, FF가 각각 BC\overline{BC}, CA\overline{CA}, AB\overline{AB} 위에 있다고 하자. 이때, DD, EE, FF가 한 직선 위의 점이면 CDDB×BFFA×AEEC=1\frac{\overline{CD}}{\overline{DB}}\times\frac{\overline{BF}}{\overline{FA}}\times\frac{\overline{AE}}{\overline{EC}}=1가 성립한다. 단, 직선이 반드시 그림처럼 삼각형을 횡단하지 않아도 상관없다.

원래는 CDDB×BFFA×AEEC=1\frac{CD}{DB}\times\frac{BF}{FA}\times\frac{AE}{EC}=1로 표현하는 것이 정확하다. 여기서 선분 기호를 넣지 않으면 선분의 기호에 방향성까지 고려하는 것이 되므로 등식을 이해하는데 도움이 된다. 또한, 메넬라오스 정리 또는 역을 이용할 때 어떤 선분들을 가지고 등식을 만족하는지 고르기 어려운 경우가 있으므로 위의 등식이 더 바람직하다고 하겠다.
더 일반적인 형태를 소개하자면,
DCDB×EAEC×FBFA=1,\frac{\overrightarrow{DC}}{\overrightarrow{DB}} \times \frac{\overrightarrow{EA}}{\overrightarrow{EC}} \times \frac{\overrightarrow{FB}}{\overrightarrow{FA}} = -1,
에서 볼 수 있듯이, 선분 자체에 방향성을 부여해서 우변을 음수로 두는 꼴이다.

2.1. 증명[편집]

파일:attachment/untitled_6.png
AA, BB, CC에서 반직선 PR에 내린 수선의 발을 각각 XX,YY, ZZ라고 할때
삼각형 PZC\triangle PZCPYB\triangle PYB가 닮음이므로 BPCP=BYCZ\frac{\overline{BP}}{\overline{CP}}=\frac{\overline{BY}}{\overline{CZ}}이다.
삼각형 QCZ\triangle QCZQAX\triangle QAX가 닮음이므로CQAQ=CZAX\frac{\overline{CQ}}{\overline{AQ}}=\frac{\overline{CZ}}{\overline{AX}}이다.
삼각형 RXA\triangle RXARYB\triangle RYB가 닮음이므로 ARBR=AXBY\frac{\overline{AR}}{\overline{BR}}=\frac{\overline{AX}}{\overline{BY}}이다.

변변 곱하면 증명 끝.

3. 역정리[편집]

이 정리의 역도 성립한다. 즉, ARRB×BPPC×CQQA=1 \frac{\overline{AR}}{\overline{RB}}\times\frac{\overline{BP}}{\overline{PC}}\times\frac{\overline{CQ}}{\overline{QA}}=1 가 성립하면 PP, QQ, RR는 공선점이다. 증명은 동일한 방법으로 하면 된다.
파일:puOa5tL.png

QR\overline{QR}의 연장선의 교점과 BC\overline{BC} 의 교점을 PP'이라 한 후, PPPP'가 같은 점임을 보이면 증명이 완료된다. 일단 P,Q,RP', Q, R이 공선점이므로, ARRB×BPPC×CQQA=1 \frac{\overline{AR}}{\overline{RB}}\times\frac{\overline{BP'}}{\overline{P'C}}\times\frac{\overline{CQ}}{\overline{QA}}=1 가 성립한다. 한편, 원래 조건에서 ARRB×BPPC×CQQA=1 \frac{\overline{AR}}{\overline{RB}}\times\frac{\overline{BP}}{\overline{PC}}\times\frac{\overline{CQ}}{\overline{QA}}=1 도 성립하므로, BPPC=BPPC\frac{\overline{BP'}}{\overline{P'C}} = \frac{\overline{BP}}{\overline{PC}}여야 한다. 이제, BC=a\overline{BC} = a, CP=b\overline{CP'} = b, PP=x\overline{P'P} = x로 놓고 간단한 계산을 하면 x=0x=0임을 알 수 있다.
따라서 PPPP'는 같은 점이므로, P,Q,RP, Q, R는 공선점이다.

4. 일반화[편집]

파일:JUze4Yk.png
알아두면 꽤나 유용한 사실로, 원래 메넬라오스 정리는 RBAR×PCBP×QACQ \frac{\overline{RB}}{\overline{AR}}\times\frac{\overline{PC}}{\overline{BP}}\times\frac{\overline{QA}}{\overline{CQ}} 와 같이 세 선분 위의 길이의 비를 곱해서 1이 되었는데, 사실은 몇 번을 돌아다니면서 길이비를 곱해도 다음 조건들만 만족한다면 길이비의 곱이 1이 된다.
1. 각 길이비 항은 반드시 한 직선 내의 길이비여야 한다. 즉 QRAQ \frac{\overline{QR}}{\overline{AQ}} 같은 건 A,Q,RA, Q, R가 공선점이 아니므로 안 되고 QCAQ \frac{\overline{QC}}{\overline{AQ}} 같은 건 된다는 뜻.
2. 한 항의 '끝점'과 다음 항의 '시작점'이 같아야 한다.[3] 즉 메넬라오스 정리를 이용할 때 한붓그리기처럼 쭉 이어가면서 길이비를 따지듯이 할 수 있어야 한다는 것. 예를 들어 RBAR×PBCP \frac{\overline{RB}}{\overline{AR}}\times\frac{\overline{PB}}{\overline{CP}} 같은 건 첫 항의 끝점이 BB인데 다음 항의 시작점이 CC이므로 안 된다.
3. 첫 항의 '시작점'과 마지막 항의 '끝점'이 같아야 한다. 즉 처음 시작한 곳으로 다시 돌아와야 한다. 예를 들어 RBAR×PCBP×AQCA \frac{\overline{RB}}{\overline{AR}}\times\frac{\overline{PC}}{\overline{BP}}\times\frac{\overline{AQ}}{\overline{CA}} 같은 것은 AA로 시작해서 QQ로 끝났으므로 길이비의 곱이 1이 안 된다.

위의 세 조건을 요약하자면, 그냥 평소 메넬라오스 정리를 쓸 때처럼 하되 마지막에 처음 점으로 돌아오기만 하면 길이비의 곱이 1이 된다는 것이다. 즉, RBAR×CPBC×RQPR×ACQA×PBCP×RABR \frac{\overline{RB}}{\overline{AR}}\times\frac{\overline{CP}}{\overline{BC}}\times\frac{\overline{RQ}}{\overline{PR}}\times\frac{\overline{AC}}{\overline{QA}}\times\frac{\overline{PB}}{\overline{CP}}\times\frac{\overline{RA}}{\overline{BR}} 처럼 해도 1이 된다. 심지어 시작점이 R,Q,CR, Q, C같은 점이어도 상관 없다!

실제로 메넬라오스 정리의 RBAR×PCBP×QACQ \frac{\overline{RB}}{\overline{AR}}\times\frac{\overline{PC}}{\overline{BP}}\times\frac{\overline{QA}}{\overline{CQ}} 는 위 세 조건을 모두 만족한다는 것을 알 수 있다.

증명은 각 점에 대해 적절한 함숫값을 주고, 길이비와 그 함숫값의 곱이 불변량임을 보이면 된다. 다만 이 과정에서 상당한 노가다를 필요로 한다.

5. 관련 문서[편집]


[1] Menelaus’ theorem 메카토(의) 정리, Mercator projection 메카토 사영, oblique Mercator projection 메카토의 비스듬한 사영도법으로 번역되어있는 것만 봐도, 뒤의 2개는 게라르두스 메르카토르의 이름을 딴 것으로 수학이라기 보다는 지리학 용어로, 메르카토르 도법으로 널리 쓰이니까 논외로 하고, oblique Mercator projection도 지리학계의 표기례에 맞추어야 한다. 앞의 것이 바로 문제가 되는 부분인데 이 정리와 메르카토르, 메카토로 적힐 수 있는 학자는 관계가 없기 때문에, 이것은 명백하게 착오로 잘못 들어간 것이다.[2] 사진 출처: 위키피디아[3] 여기서 '시작점'과 '끝점'을 엄밀히 정의할 수는 있지만 그냥 직관적으로 이해하고 넘어가기로 한다. QCAQ \frac{\overline{QC}}{\overline{AQ}}에서는 AA가 '시작점'이고 CC가 '끝점'이다.