トレミーの定理
定理
Ptolemy's Theorem

トレミーの定理

円に内接する四辺形ABCDにおいて、AB×CD+AD×BC=AC×BDが成り立つという幾何学の定理。
ひとことで言うと

プトレマイオスが弦の表を作るために使った、円と四角形をむすぶ定理。

トレミーの定理とは

この用語の要点
  • 円に内接する四辺形で『AB × CD + BC × AD = AC × BD』が成り立つ
  • プトレマイオスが弦の表を作るための道具として使った

円に内接する四辺形における辺と対角線の長さの関係を示す幾何学の定理です。四辺形ABCDが円に内接しているとき、次の式が成り立ちます。

AB × CD + BC × AD = AC × BD

これは「向かい合う辺の積の和は、対角線の積に等しい」という関係を表しています。シンプルながら強力なこの定理は、円と多角形の性質を扱うさまざまな場面で応用されています。

「トレミー」は、2世紀の天文学者プトレマイオスプトレマイオスなし詳しく見る →の英語での呼び名(Ptolemy)で、この定理は「プトレマイオスの定理」とも呼ばれます。プトレマイオスは、天文学の計算に使う弦の表を作るための道具として、この定理を用いました。

トレミーの定理の証明

円に内接する四辺形ABCDで、対角線AC上に点Eを、∠EBA = ∠CBD となるようにとります。

円に内接する四辺形ABCDと、対角線AC上にとった点E。角EBAと角CBDが等しくなるようにEをとっている。

まず、△ABD と △EBC が相似であることを見ます。∠EBA と ∠CBD には、どちらも ∠DBE が含まれています。その分を除くと ∠ABD = ∠EBC です。また ∠ADB と ∠ECB は、同じ弧ABに対する円周角なので等しくなります。2組の角が等しいので、この2つの三角形は相似です。

AD : DB = EC : CB → AD × CB = DB × EC …(1)

つぎに、△ABE と △DBC も相似です。∠EBA = ∠CBD は、最初に点Eをそう決めたからです。∠BAE(=∠BAC)と ∠BDC は、同じ弧BCに対する円周角なので等しくなります。

AB : AE = DB : DC → AB × DC = AE × DB …(2)

(1)と(2)を足します。

AD × CB + AB × DC = DB × EC + DB × AE = DB ×(EC + AE)

点Eは線分AC上にあるので、EC + AE = AC です。したがって

AB × CD + BC × AD = AC × BD

が成り立ちます。

ピタゴラスの定理との関係

トレミーの定理は、円に内接していればどんな四辺形でも成り立ちます。では、その四辺形が長方形だったらどうなるでしょうか。

長方形には2つの性質があります。ひとつは、向かい合う辺の長さが等しいこと。隣り合う2辺を a, b とすると、向かい合う辺もそれぞれ a, b です。もうひとつは、2本の対角線が、どちらも円の直径になること。長方形の対角線は中心を通るので、2本の長さは等しくなります。これを c とおきます。

この3つの長さをトレミーの式に入れてみましょう。左辺の「向かい合う辺の積の和」は a × a + b × b、右辺の「対角線の積」は c × c です。つまり、

a² + b² = c²

ピタゴラスの定理ピタゴラスの定理直角三角形の3辺の長さを a、b、c(c が斜辺)とすると、a² + b² = c² が成り立つという定理。詳しく見る →が出てきます。ピタゴラスの定理は、トレミーの定理で四辺形を長方形にした場合にあたるわけです。下の図で1ステップずつ確かめられます。

使ってみる:正三角形と外接円

この定理の使いどころを、ひとつ見てみましょう。

正三角形ABCの外接円をかき、点Aを含まないほうの弧BC上に点Pをとります。このとき、

PA = PB + PC

がいつでも成り立ちます。Aから引いた線の長さが、残りの2本の長さの和にぴったり等しくなるというわけです。

理由はすぐ分かります。四角形ABPCは円に内接しているので、トレミーの定理から AB×PC + AC×PB = AP×BC。正三角形なので AB = AC = BC で、この共通の長さで両辺を割ると PB + PC = PA が残ります。

点Pを弧の上でどこへ動かしても、この関係は崩れません。実際に動かして確かめてみてください。

さらに深掘り

名前の由来となったトレミーとは

「トレミー」は英語名 Ptolemy に由来する呼び方で、日本語では「クラウディオス・プトレマイオスプトレマイオスなし詳しく見る →」とも表記されます。90年頃〜168年頃、古代ローマ時代のエジプト・アレクサンドリア近郊に住んでいた地理学者・天文学者・数学者です。

著作『アルマゲスト』において天動説(地球中心説天動説地球が宇宙の中心で静止していて、太陽や月、星々、惑星がそのまわりを回っているという宇宙観。プトレマイオスが数学的なモデルとして完成させた。)を体系的に説明し、中世ヨーロッパからイスラム世界にかけて長らく天文学の権威とされました。『アルマゲスト』という書名も、この本の権威をそのまま映しています。もともとの題は『数学集成』でしたが、やがてギリシア語で「最も偉大な書」と呼ばれるようになり、それがアラビア語に訳されるときに定冠詞のついた「アル・マジスティー」となって、なまって『アルマゲスト』に落ち着きました。17世紀ごろまで天文学者の必読書であり続けた本です。

この定理は、何に使われたのか

トレミーの定理は、きれいな関係式として単独で眺めることもできますが、プトレマイオスにとっては道具でした。

彼が作ろうとしていたのは弦の表です。半径60の円を用意し、中心角1度から180度までのすべてについて、その角度が切り取る弦の長さを求めた一覧表。天体の位置を計算するには、この表がどうしても必要でした。

問題は、簡単に求まる角度がごく限られていたことです。そこでプトレマイオスは、すでに分かっている弦から、まだ分からない弦を導く道具を必要としました。それがこの定理です。

では、この定理を使ってどうやって表の空欄が埋まっていったのか。ここはこの冬に刊行予定の新刊のメインテーマなので、そちらでじっくり追いかけます。

カズオ
この弦の表は、そのあとどうなったんですか。
ポゥじい
よいところに気づいたな。プトレマイオスの扱った弦は、アラビアの天文学に伝わると、弦そのものではなくその半分を使うようになったのじゃ。円の中心から見て半分を取れば、直角三角形ができて扱いやすいからのう。
カズオ
半分にするだけで、そんなに変わるんですか。
ポゥじい
変わるとも。この「半弦」(※『三角関数』参照)三角関数角度に sin・cos・tan などの値を対応させる関数。直角三角形では辺の比として表され、単位円を使えば一般の角度にも広げられる。がヨーロッパを経て日本に伝わり、正弦と訳された。つまり、いま高校で習う sin の正体は、プトレマイオスが表にした弦の半分なんじゃよ。
カズオ
ところで、その表で計算した天体の位置は、何に使われたんですか。
ポゥじい博士の見立て

ひとつ言っておかねばならんな。当時の天文学は、実は占星術じゃった。天文学者、数学者、占星術師。あのころは、みな同じ意味で使われておった。

プトレマイオス自身、『アルマゲスト』のほかに『テトラビブロス』という占星術の教科書を書いておる。そしてこちらも、中世ヨーロッパの天文学者の必読書じゃった。

じゃが18世紀、19世紀になると、占星術は科学者にふさわしくないとみなされ、文献から抹殺されていった。弦の表がもともと何のためにあったのかも、そのとき一緒に見えにくくなったのじゃよ。

そもそも「占星術」という訳語じたいが、後から付いたものじゃ。英語の astrology の logy は、ロゴス(理性、話す)から来ておる。ロゴスは学問も意味するから、正確に訳すなら「占星学」でなければならん。明治になって西洋の言葉が入ってきたとき、古くていかがわしいものは「術」、高級なものは「学」と振り分ける風潮があってな。医学と医術も、同じ振り分けの跡じゃ。

ついでに言うておくと、ガリレオもケプラーもコペルニクスも、みな占星術師じゃった。ケプラーなどは、母親が魔女裁判で死刑になりかけたとき、宮廷数学者、つまり国王直属の占星術師という立場を使って救い出しておる。

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