오일러 삼각형 정리

역사 raw
대문 랜덤 문서 최근 토론
1. 개요2. 보조 정리: 맨션 정리
2.1. 방심과의 관계
3. 증명
3.1. 외심과 내심 사이의 거리3.2. 외심과 방심 사이의 거리
4. 관련 문서

1. 개요[편집]

Euler's triangle theorem

1765년 레온하르트 오일러(Leonhard Euler, 1707-1783)가 발견한 삼각형의 외심과 내심 혹은 외심과 방심 사이의 거리에 관한 공식이다.

한 삼각형의 외접원, 내접원, 방접원의 반지름을 각각 RR, rr, r′r'이라 하면, 다음이 성립한다.
  • 외심과 내심 사이의 거리: R2−2Rr\sqrt{R^{2}-2Rr}
  • 외심과 방심 사이의 거리: R2+2Rr′\sqrt{R^{2}+2Rr'}

이 정리 자체가 직접적으로 쓰이는 경우는 생각보다 많지 않으나, 증명 과정의 다양한 이론들이 삼각형과 원이 나오는 기하 문제에서 제법 많이 다루어지는 것들이라 보통 한번쯤 배우고 넘어간다.

2. 보조 정리: 맨션 정리[편집]


파일:namu_맨션정리_1_NEW_NEW.svg

그림과 같이 삼각형 ABC\rm ABC의 외심 O\rm O, 내심 I\rm I이고, 직선 BI\rm BI가 외접원과 만나는 점을 R\rm R이라고 하자.

내심의 성질에 의하여 ∠ABI=∠CBI=x\angle {\rm ABI}=\angle {\rm CBI}=x, ∠BAI=∠CAI=y\angle {\rm BAI}=\angle {\rm CAI}=y, ∠BCI=∠ACI=z\angle {\rm BCI}=\angle {\rm ACI}=z라 놓을 수 있다. ∠CIR\angle{\rm CIR}은 ∠BIC\angle{\rm BIC}의 외각이므로 x+zx+z, ∠ABR=∠ACR=x\angle{\rm ABR}=\angle{\rm ACR}=x(호 AR\rm AR에 대한 원주각) 따라서 삼각형 RIC\rm RIC에서 ∠RIC=∠RCI=x+z\angle{\rm RIC}=\angle{\rm RCI}=x+z 즉, 삼각형 RIC\rm RIC은 IR‾=RC‾\overline{\rm IR}=\overline{\rm RC}인 이등변삼각형이다. 동일한 방법으로 삼각형 RAI\rm RAI는 IR‾=AR‾\overline{\rm IR}=\overline{\rm AR}인 이등변삼각형임을 증명할 수 있다.

∴RC‾=IR‾=AR‾\displaystyle \begin{aligned} \therefore \overline{\rm RC}=\overline{\rm IR}=\overline{\rm AR} \end{aligned}


이 결과는 내심과 삼각형의 두 꼭짓점을 연결한 삼각형의 외심이 두 꼭짓점을 제외한 한 꼭짓점과 내심을 연결하는 직선이 외접원과 만나는 점에 있음을 알려준다.

2.1. 방심과의 관계[편집]


파일:namu_맨션정리_2_NEW.svg

방심과 내심의 성질에 의하여 두 점은 ∠B\angle \rm B의 이등분선 위에 있으므로 그림과 같이 위 과정에서 선분 BI\rm BI을 연장하여 B\rm B에 대한 방심 O′\rm O'와 만나도록 하자. 위에서 다뤘던 맨션 정리에서

RC‾=IR‾=AR‾\displaystyle \begin{aligned} \overline{\rm RC}=\overline{\rm IR}=\overline{\rm AR} \end{aligned}

이고, 내심과 방심의 성질에 의하여 ∠BCI=∠ACI\angle {\rm BCI}=\angle {\rm ACI}, ∠ACO′=∠HCO′\angle {\rm ACO'}=\angle {\rm HCO'}이므로 ∠ICO′=90∘\angle {\rm ICO'}=90^{\circ}이다. 따라서 삼각형 ICO′\rm ICO'은 직각삼각형이고, RC‾=IR‾\displaystyle \overline{\rm RC}=\overline{\rm IR} 이므로 점 R\rm R은 해당 삼각형의 외심이며, 결과적으로 RC‾=IR‾=O′R‾\displaystyle \overline{\rm RC}=\overline{\rm IR}=\overline{\rm O'R} 이다.

∴RC‾=IR‾=AR‾=O′R‾\displaystyle \begin{aligned} \therefore \overline{\rm RC}=\overline{\rm IR}=\overline{\rm AR}=\overline{\rm O'R} \end{aligned}

3. 증명[편집]

3.1. 외심과 내심 사이의 거리[편집]

파일:namu_오일러_삼각형_정리_1.svg

그림과 같이 삼각형 ABC\rm ABC의 외심과 내심을 각각 O\rm O, I\rm I라하고, 외접원과 내접원의 반지름은 각각 RR, rr, 직선 IO\rm IO가 외접원과 만나는 두 점을 P\rm P, Q\rm Q, 직선 BI\rm BI가 외접원과 만나는 점을 R\rm R, OI‾=d\overline{\rm OI}=d라 하자. 방멱 정리에 의하여

BI‾⋅IR‾=PI‾⋅IQ‾=(R+d)(R−d)=R2−d2\displaystyle \begin{aligned} \overline{\rm BI} \cdot \overline{\rm IR}&=\overline{\rm PI} \cdot \overline{\rm IQ} \\&=(R+d)(R-d) \\&=R^{2}-d^{2} \end{aligned}


한편, 맨션 정리에 의하여 IR‾=AR‾\overline{\rm IR}=\overline{\rm AR}, 내심의 성질에 따라 ∠IBC=∠ABI\angle{\rm IBC}=\angle{\rm ABI}, ∠ABI=∠ASR\angle{\rm ABI}=\angle{\rm ASR}(호 AR\rm AR에 대한 원주각)이다. 점 I\rm I에서 변 BC\rm BC에 내린 수선의 발을 H\rm H라 하면 ∠RAS=90∘\angle{\rm RAS}=90^{\circ}(지름에 대한 원주각), ∠IHB=90∘\angle{\rm IHB}=90^{\circ}, ∠ABI=∠ASR\angle{\rm ABI}=\angle{\rm ASR}이므로 △RSA∼△IBH\triangle{\rm RSA} \sim \triangle{\rm IBH} (AA\rm AA닮음)이다.
AR‾:SR‾=IR‾:SR‾=IH‾:BI‾  ⇔  BI‾⋅IR‾=SR‾⋅IH‾\displaystyle \begin{aligned} \overline{\rm AR} : \overline{\rm SR} =\overline{\rm IR} : \overline{\rm SR} =\overline{\rm IH} : \overline{\rm BI} \; \Leftrightarrow \; \overline{\rm BI} \cdot \overline{\rm IR}=\overline{\rm SR} \cdot \overline{\rm IH} \end{aligned}
SR‾=2R\overline{\rm SR}=2R, IH‾=r\overline{\rm IH}=r임을 이용하면, SR‾⋅IH‾=2Rr\overline{\rm SR} \cdot \overline{\rm IH}=2Rr

∴R2−d2=2Rr  ⇒  d=R2−2Rr\displaystyle \therefore R^{2}-d^{2}=2Rr \; \Rightarrow \; d=\sqrt{R^2-2Rr}

결과를 변형하면 아래와 같이 나타낼 수도 있다.

1R−d+1R+d=1r\displaystyle \frac{1}{R-d}+\frac{1}{R+d}=\frac{1}{r}

두 점 간의 거리는 음일 수 없으므로,

d=R2−2Rr=R(R−2r)\displaystyle d=\sqrt{R^2-2Rr}=\sqrt{R(R-2r)}

에 의하여 모든 삼각형에서 R≥2rR \geq 2r이 성립한다. 단, 등호는 정삼각형일 때에 성립한다.[1]

이상의 결과에서 음수에 대한 방멱을 허용한다면, 외접원에 대한 내심의 방멱은 −2Rr -2Rr 이라고 표현할 수 있다.

3.2. 외심과 방심 사이의 거리[편집]

파일:namu_오일러_삼각형_정리_2.svg

그림과 같이 삼각형 ABC\rm ABC의 외심과 방심을 각각 O\rm O, O′\rm O'라하고, 외접원과 방접원의 반지름은 각각 RR, r′r', 직선 OO′\rm OO'가 외접원과 만나는 두 점을 P\rm P, Q\rm Q, 직선 BO′\rm BO'이 외접원과 만나는 점을 R\rm R, OO′‾=d\overline{\rm OO'}=d라 하자. 방멱 정리에 의하여

O′R‾⋅O′B‾=O′Q‾⋅O′P‾=(d−R)(d+R)=d2−R2\displaystyle \begin{aligned} \overline{\rm O'R} \cdot \overline{\rm O'B}&=\overline{\rm O'Q} \cdot \overline{\rm O'P} \\&=(d-R)(d+R) \\&=d^{2}-R^{2} \end{aligned}


위에서 다뤘던 맨션 정리에 의하여 O′R‾=RC‾\overline{\rm O'R}=\overline{\rm RC}, 점 O′\rm O'에서 변 BC\rm BC의 연장선 상에 내린 수선의 발을 H\rm H라 하면 ∠O′HB=90∘\angle{\rm O'HB}=90^{\circ}, ∠SRC=90∘\angle{\rm SRC}=90^{\circ}(지름에 대한 원주각), ∠O′BC=∠RSC\angle{\rm O'BC}=\angle{\rm RSC}(호 RC\rm RC에 대한 원주각)이므로 △O′BH∼△CSR\triangle{\rm O'BH} \sim \triangle{\rm CSR} (AA\rm AA닮음)이다.
O′H‾:O′B‾=RC‾:SC‾=O′R‾:SC‾  ⇔  O′R‾⋅O′B‾=O′H‾⋅SC‾\displaystyle \begin{aligned} \overline{\rm O'H} : \overline{\rm O'B} =\overline{\rm RC} : \overline{\rm SC} =\overline{\rm O'R} : \overline{\rm SC} \; \Leftrightarrow \; \overline{\rm O'R} \cdot \overline{\rm O'B}=\overline{\rm O'H} \cdot \overline{\rm SC} \end{aligned}
SC‾=2R\overline{\rm SC}=2R, O′H‾=r′\overline{\rm O'H}=r'임을 이용하면, SR‾⋅IH‾=2Rr\overline{\rm SR} \cdot \overline{\rm IH}=2Rr

∴d2−R2=2Rr′  ⇒  d=R2+2Rr′\displaystyle \therefore d^{2}-R^{2}=2Rr' \; \Rightarrow \; d=\sqrt{R^2+2Rr'}

결과를 변형하면 아래와 같이 나타낼 수도 있다.

1d−R−1d+R=1r′\displaystyle \frac{1}{d-R}-\frac{1}{d+R}=\frac{1}{r'}


이상의 결과에서 외접원에 대한 방심의 방멱은 2Rr′ 2Rr' 이라고 표현할 수 있다.

4. 관련 문서[편집]

[1] 정삼각형은 외심, 내심, 수심, 무게중심이 동일하다.