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2023年9月18日

円に内接する四角形の対角の性質の逆は成り立つ?

 円に内接する四角形の対角の性質とは
円に内接する四角形の対角の和は180°である。
という性質のことです。
円に内接する四角形の対角の性質の逆
これは逆も成り立ち、円に内接する四角形の対角の性質の逆とは
四角形ABCDの対角の和が180°ならば四角形ABCDは外接円をもつ。
というものです。

なぜこれが成り立つのかを確かめてみます。


 円に内接する四角形の対角の性質の逆が成り立たないとすると、その反例は「四角形ABCDの対角の和は180°だが、四角形ABCDは外接円をもたない。」となります。

そこで、この反例が成り立たないことから円に内接する四角形の対角の性質の逆が成り立つことを確かめます。


 外接円をもつ四角形、すなわち円に内接する四角形はすべての頂点が同一円周上にあります。
すると、円は3つの点でただ1つに定まることを考えれば、外接円をもたない四角形とはどのように3つの頂点を選んでも、それらがある同一円周上に4つ目の頂点がない四角形を指すことになります。

したがって、反例が成り立つと仮定するならば、その内容は「3つの頂点A,B,Cがある同一円周上に頂点Dがない四角形ABCDの1組の対角ABC,ADCにおいて、ABC+ADC=180°が成り立つ」となります。

頂点Dが円周上にない場合というのは、頂点Dが円の外部にある場合と円の内部にある場合の2つに分けられます。

頂点Dが円の外部にある場合

頂点Dが円の外部にある場合
 頂点Dが3つの頂点A, B,Cを通る円Oの外部にある四角形ABCDを考えます。
仮定より
(1)ABC+ADC=180°
ここで、円Oと辺CDの交点をPとし、四角形ABCPをつくります。
四角形ABCPにおいて、円に内接する四角形の対角の性質より
(2)ABC+APC=180°
(1)(2)より
ADCAPC=0°(3)ADC=APC
ADCAPCは同位角なので、(3)よりAD//APが成り立ちます。
しかし、ADAPは点Aで交わるため矛盾します。

したがって、仮定は誤り、すなわち頂点Dが円Oの外部にある四角形ABCDにおいてABC+ADC=180°は成り立ちません。


頂点Dが円の内部にある場合

頂点Dが円の内部にある場合
 頂点Dが3つの頂点A, B,Cを通る円Oの内部にある四角形ABCDを考えます。
仮定より
(4)ABC+ADC=180°
ここで、円Oと辺CDの延長との交点をQとし、四角形ABCQをつくります。
四角形ABCQにおいて、円に内接する四角形の対角の性質より
(5)ABC+AQC=180°
(4)(5)より
ADCAQC=0°(6)ADC=AQC
ADCAQCは同位角なので、(6)よりAD//AQが成り立ちます。
しかし、ADAQは点Aで交わるため矛盾します。

したがって、仮定は誤り、すなわち頂点Dが円Oの内部にある四角形ABCDにおいてもABC+ADC=180°は成り立ちません。


 以上より、四角形ABCDにおいてABC+ADC=180°が成り立つのは頂点Dが3つの頂点A,B,Cが存在する同一円周上に存在するとき、すなわち四角形ABCDが円に内接するときだけであることがわかります。
したがって、反例「四角形ABCDの対角の和は180°だが、四角形ABCDは円に内接しない。」が成り立つことはないので、円に内接する四角形の対角の性質の逆が成り立つことがわかります。

 円に内接する四角形の対角の性質の逆
四角形ABCDの対角の和が180°ならば四角形ABCDは外接円をもつ。
の「四角形ABCDは外接円をもつ」は言い換えれば「4点A, B, C,Dが同一円周上にある」ということです。
なので、円に内接する四角形の対角の性質の逆はよく4点が同一円周上にあることを示すのに利用されます。

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