このとき、弦$AB,CD$の交点を$P$、線分$AP,BP,CP,DP$の長さをそれぞれ$a,b,c,d$、上図のように$a>b,c>d$であるとします。
導出
中心$O$から各弦へ垂線をおろします。弦$AB,CD$上の垂線の足をそれぞれ$Q,R$とします。
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中心$O$から引いた垂線は弦を二等分するので
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\begin{align*}AQ=QB&=\frac{1}{2}AB\\[0.5em]&=\frac{a+b}{2}\\[1em]CR=RD&=\frac{1}{2}CD\\[0.5em]&=\frac{c+d}{2}\end{align*}
となります。
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\begin{align*}QO&=PR\\[0.5em]&=CP-CR\\[0.5em]&=c-\frac{c+d}{2}\\[0.5em]&=\frac{2c-(c+d)}{2}\\[0.5em]&=\frac{c-d}{2}\end{align*}
となります。
半径の長さを$r$とおき三平方の定理より
\begin{align*}r^2&=AQ^2+QO^2\\[0.5em]&=\left(\frac{a+b}{2}\right)^2+\left(\frac{c-d}{2}\right)^2\\[0.5em]&=\frac{(a+b)^2}{4}+\frac{(c-d)^2}{4}\\[0.5em]&=\frac{(a+b)^2+(c-d)^2}{4}\\[1em]r&=\frac{\sqrt{(a+b)^2+(c-d)^2}}{2}&(\because
r>0)\end{align*}
となり、弦の長さから円の半径を求める式を導くことができます。
\begin{align*}r&=\frac{\sqrt{(3+2)^2+(6-1)^2}}{2}\\[0.5em]&=\frac{\sqrt{50}}{2}\\[0.5em]&=\frac{5\sqrt{2}}{2}\end{align*}
と求められます。
ちなみに直交する弦の各部分の長さが確かに上記のようになることがあるかは以下のように確かめられます。
\begin{align*}AP\cdot BP&=3\cdot2\\[0.5em]&=6\\[1em]CP\cdot
DP&=6\cdot1\\[0.5em]&=6\end{align*}
より$AP\cdot BP=CP\cdot
DP$が成り立つので方べきの定理の逆より4点$A,B,C,D$は同一円周上にあります。
したがって、確かに直交する円の弦の各線分の長さが$AP=3,BP=2,$$CP=6,DP=1$となることがあるとわかります。
弦が円の中心を通る場合
また、弦のいずれかが円の中心を通る場合も
\begin{equation}\large r=\frac{\sqrt{(a+b)^2+(c-d)^2}}{2}\end{equation}
が成り立ちます。
弦の1本が円の中心を通る場合
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また、弦$AB$は弦$CD$の垂直二等分線となる、すなわち点$P$は弦$CD$の中点となるので、$c=d$が成り立ちます。
したがって、$(1)$より
\begin{align*}r&=\frac{\sqrt{(a+b)^2+(c-c)^2}}{2}\\[0.5em]&=\frac{\sqrt{(a+b)^2}}{2}\\[0.5em]&=\frac{|a+b|}{2}\\[0.5em]&=\frac{a+b}{2}&(\because
a>0,b>0\Rightarrow a+b>0)\end{align*}
となり、成り立っていることがわかります。
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また、弦$CD$は弦$AB$の垂直二等分線となる、すなわち点$P$は弦$AB$の中点となるので、$a=b$が成り立ちます。
したがって、$(1)$より
\begin{align*}r&=\frac{\sqrt{(a+a)^2+(c-d)^2}}{2}\\[0.5em]&=\frac{\sqrt{4a^2+(c-d)^2}}{2}\\[0.5em]&=\frac{\sqrt{4a^2+c^2+d^2-2cd}}{2}\tag2\end{align*}
となり、$r=\dfrac{c+d}{2}$になりそうに見えません。
これらは直角三角形なので$∠APC=∠DPA=90°\cdots\text{(a)}$
直角三角形$ACP$の直角以外の内角の和は$90°$なので、$∠ACP+∠CAP=90°$
すなわち$∠ACP=90°-∠CAP\ \cdots\text{(b)}$
すなわち$∠ACP=90°-∠CAP\ \cdots\text{(b)}$
タレスの定理より$∠CAD=∠CAP+∠DAP=90°$なので、$∠DAP=90°-∠CAP\ \cdots\text{(c)}$
$\text{(b),(c)}$より$∠ACP=∠DAP\cdots\text{(d)}$
$\text{(a),(d)}$より2組の角がそれぞれ等しいので$△ACP$と$△ADP$は相似であることがわかります。
相似比より
\begin{align*}CP:AP&=AP:DP\\[0.5em]c:a&=a:d\\[0.5em]\therefore
a^2&=cd\end{align*}
\begin{align*}r&=\frac{\sqrt{4cd+c^2+d^2-2cd}}{2}\\[0.5em]&=\frac{\sqrt{c^2+d^2+2cd}}{2}\\[0.5em]&=\frac{\sqrt{(c+d)^2}}{2}\\[0.5em]&=\frac{|c+d|}{2}\\[0.5em]&=\frac{c+d}{2}&(\because
c>0,d>0\Rightarrow c+d>0)\end{align*}
となり、弦$CD$が円$O$の中心を通る場合においても$(1)$が成り立つことがわかります。
両方の弦が円の中心を通る場合
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したがって、$(1)$より
\begin{align*}r&=\frac{\sqrt{(a+a)^2+(a-a)^2}}{2}&(\because
a=b=c=d)\\[0.5em]&=\frac{\sqrt{4a^2}}{2}\\[0.5em]&=|a|\\[0.5em]&=a&(\because
a>0)\end{align*}
となり、確かに成り立っていることがわかります。
以上より、円の直交する2本の弦$AB,CD$が直交していれば必ず
\[\large r=\frac{\sqrt{(a+b)^2+(c-d)^2}}{2}\]
が成り立つことがわかります。
(2024/2)内容を修正しました。
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