체바 정리
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1. 개요
체바 정리는 삼각형의 각 변 위의 세 점과 세 꼭짓점을 연결하는 세 직선의 공점선 또는 평행선 조건을 나타내는 정리이다. 이 정리는 다음과 같은 두 조건이 동치임을 보여준다. 세 직선이 공점선이거나 평행선일 때, 각 변의 분할 비율의 곱은 1이다. 체바 정리는 넓이, 무게 중심, 메넬라우스 정리, 바리 중심 좌표 등을 이용하여 증명할 수 있으며, 각체바 정리, 중점에 대한 반사의 성질, 공원점의 성질, 중선의 성질, 각의 이등분선의 성질 등 다양한 따름정리를 갖는다. 또한, 고차원 단순체로 일반화될 수 있으며, 루스 정리, 다각형, 일정 곡률의 표면에서의 삼각형, 구면 및 쌍곡선 기하학 등에도 적용될 수 있다. 이탈리아 수학자 조반니 체바가 1678년에 제시했지만, 11세기 유수프 알무타만 이븐 후드가 먼저 발견했다.
삼각형 의 각 변 , , (또는 그 연장선) 위에 점 , , 가 있을 때, 다음 두 조건은 서로 동치이다.
체바 정리의 증명은 여러 가지가 있다.[3][4] 대표적인 증명 방법으로는 삼각형의 넓이 비를 이용하는 방법, 메넬라우스 정리를 이용하는 방법, 무게 중심을 이용하는 방법, 바리 중심 좌표와 벡터를 이용하는 방법 등이 있다.
2. 정의
두 번째 조건의 세 비율은 단순비를 나타낸다. 즉, 두 유향 선분의 방향이 같을 경우 양의 부호를, 반대일 경우 음의 부호를 갖는다. 따라서 , , 중 삼각형 변의 외분점의 수는 짝수이어야 한다. 체바 정리는 세 점 가운데 하나가 무한원점인 경우에도 성립하며, 이 경우 각 꼭짓점과 대변 위의 무한원점을 잇는 직선은 각 꼭짓점을 지나는 대변의 평행선으로 정의되고, 무한원점의 단순비 값은 −1로 정의된다.
삼각형 ABC에서 임의의 점 O를 잡고, 직선 AO와 BC, BO와 CA, CO와 AB의 교점을 각각 D, E, F라고 할 때, 다음 등식이 성립한다. (점 O는 삼각형의 내부 또는 외부에 위치할 수 있다.)
:
체바 정리의 역 또한 성립한다. 즉, 임의의 삼각형 ABC에서 직선 AB, BC, CA 위에 점 D, E, F를 잡고, D, E, F 중 삼각형 ABC의 변 위에 있는 점이 1개 또는 3개일 때,
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이 성립하면, 세 직선 AD, BE, CF는 한 점에서 만나거나 평행하다. ("평행"을 "무한원점에서 만난다"라고 해석하면, "세 직선 AD, BE, CF는 한 점에서 만난다"라고 결론지을 수 있다.)
3. 증명
3. 1. 넓이를 통한 증명
삼각형의 넓이 비를 이용하여 체바 정리를 증명할 수 있다. 높이가 같은 삼각형의 넓이 비는 밑변의 길이 비와 같다는 성질을 이용한다.[15]
우선 , , 가 한 점 에서 만난다고 가정한다. 유향 삼각형 의 유향 넓이를 로 표기하면, 높이가 같은 삼각형의 넓이는 밑변에 비례하므로,
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이다. 따라서
:
이다. 마찬가지로
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가 성립한다. 이 세 등식을 곱하면
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를 얻는다.
, , 가 평행선이라고 가정하면, 삼각형 와 는 닮음이며, 삼각형 와 역시 닮음이므로,
:
이다. 따라서
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이다.
반대로,
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이고 , , 가운데 적어도 한 쌍이 평행하지 않는다고 가정하자. 편의상 와 가 평행하지 않는다고 하고, 이들의 교점을 , 와 의 교점을 이라고 하면, 이미 증명한 바에 의하여
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이므로,
:
이다. 선분을 주어진 비율로 분할하는 점은 유일하게 결정되므로 이다. 따라서 , , 는 한 점 에서 만난다.
메넬라우스 정리를 사용해서도 증명할 수 있다.[5] 삼각형 의 횡선 에 대해
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이고, 삼각형 의 횡선 에 대해
:
이다. 이 두 방정식을 나누면 체바 정리가 유도된다.
역은 따름정리로 도출된다.[3] 방정식이 성립하도록, 를 선 위에 놓고, 가 에서 만나고, 를 가 를 가로지르는 점이라고 하자. 그러면 체바 정리에 의해, 방정식은 에 대해서도 성립한다. 이 둘을 비교하면,
:
이다. 그러나 최대 하나의 점만이 주어진 비율로 선분을 자를 수 있으므로 이다.
선분의 비를 삼각형의 면적비로 치환하여 증명할 수도 있다.[13] 삼각형 와 삼각형 는 밑변의 비가 이고 높이가 같으므로,
:
마찬가지로, 삼각형 와 삼각형 는 밑변의 비가 이고 높이가 같으므로,
:
이 두 식으로부터,
:
이다.
같은 방식으로, 삼각형 와 삼각형 , 삼각형 와 삼각형 는 각각 밑변의 비가 이고 높이가 같으므로,
:,
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이다. 따라서
:
이다.
마찬가지로, 삼각형 와 삼각형 , 삼각형 와 삼각형 는 각각 밑변의 비가 이고 높이가 같으므로,
:
:
이다. 따라서
:
이다.
정리하면,
:
이므로 1과 같다.
3. 2. 무게 중심을 통한 증명
체바 정리는 질점의 무게 중심을 사용하여 증명할 수 있다.[16] 외분점을 고려하기 위해서는 음의 질량을 허용해야 한다. 삼각형의 각 변의 직선 위의 유향 선분의 유향 길이가 삼각형을 기준으로 시계 반대 방향일 경우 양의 부호를 취하고, 시계 방향일 경우 음의 부호를 취한다고 하자. 점 , , 에 각각 질량 , , 를 부여하여 질점 , , 를 만든다.
우선 , , 가 한 점 에서 만난다고 가정하자. 이 경우 세 질점의 무게 중심은 위의 점이자 위의 점이어야 하므로 이는 두 직선의 교점 와 같다. 에서 와 의 돌림힘은 일치한다. 즉, 다음이 성립한다.
:
이제 , , 가 평행선이라고 가정하자. 이 경우 세 질점의 무게 중심은 존재하지 않는다. 즉, 세 질점의 질량의 합은 0이다. 이를 정리하면 다음과 같다.
:
반대로
:
가 성립하고 , , 가 평행선이 아니라고 가정하자. 와 가 어떤 점 에서 만난다고 가정하면, 는 세 질점의 무게 중심이다. 또한 세 비율의 곱이 1이라는 등식을 정리하면 에서 와 의 돌림힘이 일치한다는 것을 알 수 있다. 즉, 는 와 의 무게 중심이다. 따라서 역시 를 지난다.
3. 3. 메넬라우스 정리를 이용한 증명
메넬라우스 정리를 이용하여 체바 정리를 증명할 수 있다.[5][14]
삼각형 에서 선분 가 교차하므로, 메넬라우스 정리에 의해 다음이 성립한다.
:
삼각형 에서 선분 가 교차하므로, 메넬라우스 정리에 의해 다음이 성립한다.
:
위의 두 방정식을 나누면 체바 정리가 유도된다.
역 또한 따름정리로 도출된다.[3] 방정식이 성립하도록, 를 선 위에 놓자. 가 에서 만나고, 를 가 를 가로지르는 점이라고 하자. 그러면 이 정리에 의해, 방정식은 에 대해서도 성립한다. 이 둘을 비교하면,
:
그러나 최대 하나의 점만이 주어진 비율로 선분을 자를 수 있으므로 이다.
3. 4. 바리 중심 좌표를 이용한 증명
체바 정리의 증명은 여러 개가 만들어졌다.[3][4]
바리 중심 좌표와 벡터를 사용한 증명은 더 자연스럽고 경우에 따라 달라지지 않는다. 또한 모든 체 위의 모든 아핀 평면에서 작동한다.
세 점 A, B, C가 공선이 아니고, 같은 평면에 속하는 점 O가 주어졌을 때, A, B, C에 대한 O의 바리 중심 좌표는 다음을 만족하는 세 개의 고유한 숫자 이다.
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그리고
:
모든 점 X에 대해 (이 화살표 표기법의 정의와 자세한 내용은 아핀 공간 참조).
체바 정리에 대해, 점 O는 삼각형의 두 꼭짓점을 지나는 어떤 선에도 속하지 않는다고 가정한다. 이는 임을 의미한다.
X에 대해 선 AB와 OC의 교점 F를 취하면 (그림 참조), 마지막 방정식을 다음과 같이 재배열할 수 있다.
:
이 방정식의 좌변은 선 CF와 같은 방향을 가진 벡터이고, 우변은 선 AB와 같은 방향을 가진다. A, B, C가 공선점이 아니므로 이 선들은 다른 방향을 가진다. 따라서 방정식의 두 항은 영 벡터와 같고,
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따라서,
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여기서 좌변의 분수는 공선 선분 AF와 FB의 길이의 부호가 있는 비율이다.
같은 추론에 따르면
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체바 정리는 마지막 세 방정식의 곱을 취함으로써 즉시 도출된다.
4. 따름정리
체바 정리로부터 여러 따름정리들을 유도할 수 있다.
:
- 중점에 대한 반사의 성질: 삼각형 ABC의 각 변 BC, CA, AB 위에 점 D와 D', E와 E', F와 F'이 각 변의 중점에 대한 반사상일 때, AD, BE, CF가 공점선일 필요충분조건은 AD', BE', CF'이 공점선인 것이다.[1]
- 공원점의 성질: 점 D와 D', E와 E', F와 F'이 삼각형 ABC의 각 변 BC, CA, AB의 직선 위의 점이며, 이 6개의 점이 공원점을 이룰 때, AD, BE, CF가 공점선일 필요충분조건은 AD', BE', CF'이 공점선인 것이다. 이는 방멱 정리를 통해 증명할 수 있다.[1]
- 중선의 성질: 삼각형의 세 중선은 공점선이며, 삼각형의 무게 중심에서 만난다.[1]
- 각의 이등분선의 성질: 삼각형의 세 내각의 이등분선은 한 점에서 만나며, 이 점은 삼각형의 내심이다. 삼각형의 두 외각의 이등분선과 나머지 한 내각의 이등분선 역시 한 점에서 만나며, 이들은 삼각형의 한 방심에서 만난다.[1]
4. 1. 각체바 정리
점 , , 가 삼각형 의 각 변 , , 의 직선 위의 점이라고 하자. '''각체바 정리'''(Ceva|체바it 정리)에 따르면, 다음 두 조건이 서로 동치이다.- , , 는 공점선이거나 평행선이다.
\cdot\frac{\sin\angle BAD}{\sin\angle DAC}
\cdot\frac{\sin\angle CBE}{\sin\angle EBA}
=1
두 번째 조건의 여섯 개의 각의 크기는 유향각의 유향 크기를 나타낸다. 즉, 유향각이 시계 반대 방향일 경우 양의 부호를 취하고, 시계 방향일 경우 음의 부호를 취한다. 예를 들어, 만약 가 변 의 내분점이라면, 에서 로 (180도 이내의 각도로) 회전하는 방향은 시계 반대 방향이며, 에서 로 회전하는 방향 역시 시계 반대 방향이므로, 와 는 모두 양의 부호를 취한다. 따라서 이들의 사인 값은 모두 양수이다. 만약 가 에 더 가까운 외분점이라면, 에서 로 회전하는 방향은 시계 반대 방향이나, 에서 로 회전하는 방향은 시계 방향이므로, 와 는 각각 양과 음의 부호를 취한다. 따라서 이들의 사인 값은 각각 양수와 음수이다. 만약 가 에 더 가까운 외분점이라면, 와 는 각각 음과 양의 부호를 취하며, 이들의 사인 값은 각각 음수와 양수이다. 따라서, 두 번째 조건이 만족되려면 점 , , 가운데 정확히 짝수 개가 외분점이어야 한다.
4. 2. 중점에 대한 반사의 성질
삼각형 의 각 변 , , 위에 점 와 , 와 , 와 이 있다고 하자. 이 점들은 각 변의 중점에 대한 반사상이다. 이 때, 다음 두 조건은 서로 동치이다.- , , 는 공점선이다.
- , , 은 공점선이다.
이는 각 변의 직선 위 두 점의 단순비가 서로 역수이기 때문이다.
4. 3. 공원점의 성질
점 와 , 와 , 와 이 삼각형 의 각 변 , , 의 직선 위의 점이며, 이 6개의 점이 공원점을 이룬다고 하자. (즉, 삼각형 와 의 외접원은 같다고 하자.) 그렇다면 다음 두 조건이 서로 동치이다.- , , 는 공점선이다.
- , , 은 공점선이다.
이는 방멱 정리를 통해 증명할 수 있다.
4. 4. 중선의 성질
삼각형의 세 중선은 공점선이며, 삼각형의 무게 중심에서 만난다.4. 5. 각의 이등분선의 성질
삼각형의 세 내각의 이등분선은 한 점에서 만나며, 이 점은 삼각형의 내심이다. 삼각형의 두 외각의 이등분선과 나머지 한 내각의 이등분선 역시 한 점에서 만나며, 이들은 삼각형의 한 방심에서 만난다. 이는 각의 이등분선 정리에 따라 내각 또는 외각의 이등분선과 대변의 교점의 단순비의 절댓값이 각의 두 이웃변의 길이의 비율과 같기 때문이다.5. 일반화
바리 중심 좌표계를 사용하여 고차원 단순체로 일반화할 수 있다. n-단순체의 체비안을 각 꼭짓점에서 반대쪽 (n-1)-면(면)의 점으로 향하는 광선으로 정의한다. 그러면 체비안은 질량 분포를 꼭짓점에 할당하여 각 체비안이 반대쪽 면과 그 질량 중심에서 교차할 수 있는 경우에만 공점이 된다. 게다가, 체비안의 교차점은 단순체의 질량 중심이다.[6][7]
또 다른 고차원 단순체로의 일반화는 특정 비율의 곱이 1이라는 체바 정리의 결론을 확장한다. 단순체의 한 점에서 시작하여 각 k-면에서 점이 귀납적으로 정의된다. 이 점은 그것을 포함하는 (k+1)-면에 있는 k-면에 반대편 꼭짓점에서, 이 (k+1)-면에서 이미 정의된 점을 통과하는 체비안의 발이다. 이 점 각각은 그 위에 놓인 면을 엽으로 나눈다. 일련의 엽쌍이 주어지면, 각 쌍의 엽의 부피의 비율의 곱은 1이다.[8]
루스 정리는 세 체비안이 공점이 아닌 경우에 세 체비안에 의해 형성된 삼각형의 면적을 제공한다. 체바 정리는 면적을 0으로 설정하고 풀어서 얻을 수 있다.
평면에서 일반 다각형에 대한 정리의 유사체는 19세기 초부터 알려져 있다.[9] 이 정리는 또한 일정 곡률의 다른 표면에서 삼각형으로 일반화되었다.[10]
이 정리는 또한 구면 및 쌍곡선 기하학으로 잘 알려진 일반화를 가지며, 비율의 길이를 각각 사인과 쌍곡선 사인으로 대체한다.
6. 역사
1678년 이탈리아의 수학자 조반니 체바가 처음 제시한 것으로 알려졌으나, 11세기 사라고사 타이파의 왕 유수프 알무타만 이븐 후드가 먼저 발견하였다.[17]
참조
[1]
서적
Geometry: Our Cultural Heritage
https://archive.org/[...]
Springer
[2]
논문
A Unified Proof of Ceva and Menelaus' Theorems Using Projective Geometry
https://www.helderma[...]
2007
[3]
서적
Pure Geometry
https://books.google[...]
Clarendon Press
[4]
서적
Challenging Problems in Geometry
Dover Publishing Co.
[5]
서적
Inductive Plane Geometry
https://archive.org/[...]
D.C. Heath & Co.
[6]
논문
A Generalization of Ceva's Theorem to Higher Dimensions
1988-12
[7]
논문
The Theorems of Ceva and Menelaus and Their Extension
1927-11
[8]
논문
An Extension of Ceva's Theorem to ''n''-Simplices
2021-05
[9]
논문
Ceva, Menelaus and the Area Principle
[10]
논문
Incidence theorems in spaces of constant curvature
[11]
문서
Weisstein
[12]
논문
Al-Mu'taman ibn Hūd, 11th century king of Saragossa and brilliant mathematician
https://doi.org/10.1[...]
1995-02
[13]
문서
[14]
문서
[15]
서적
Geometry Revisited
Mathematical Association of America
1967
[16]
서적
Episodes in Nineteenth and Twentieth Century Euclidean Geometry
The Mathematical Association of America
1995
[17]
서적
Geometry
https://archive.org/[...]
Springer
2010
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