2019년 2월 1일 금요일

반 아우벨의 정리(Van Aubel's Theorem)

.(Henricus Hubertus van Aubel)

삼각형 ABC (△ABC)의 각 꼭짓점에서 삼각형 ABC 내부의 임의의 한 점 P와 만나는 세개의 직선 AP, BP, CP가 각각 선분 BC, CA, AB와 만나는 점을 A_{{1}}B_{{1}}C_{{1}}이라고 할 때 (A_{{1}}\in \overline {BC}B_{{1}}\in \overline {AC}C_{{1}}\in \overline {AB})
다음과 같은 식이 성립하는데,
{\frac  {AP}{PA_{{1}}}}={\frac  {AC_{{1}}}{C_{{1}}B}}+{\frac  {AB_{{1}}}{B_{{1}}C}}
이를 판 아우벌의 정리라고 한다.

증명 Ⅰ

P_{{\triangle XYZ}}는 삼각형 XYZ의 면적을 뜻한다.
삼각형 ABC와 삼각형 {\displaystyle PBC}는 동일한 선분 BC를 밑변으로 가지고 있으므로 높이(선분)의 비율은 면적의 비율과 동일하다. 따라서
{\frac  {AA_{1}}{PA_{1}}}={\frac  {P_{{\triangle ABC}}}{P_{{\triangle BCP}}}}가 성립하는데
이것은
{\frac  {AP}{PA_{{1}}}}={\frac  {P_{{\triangle APC}}+P_{{\triangle APB}}}{P_{{\triangle BCP}}}}을 내포한다.
또 삼각형 ACC_{1}과 삼각형 BCC_{1}을 보면 두 삼각형은 동일한 선분 CC_{{1}}을 같은 높이로 가지고 있으므로 밑변(선분)의 비율은 면적의 비율과 동일하다. 따라서
{\frac  {AC_{1}}{C_{1}B}}={\frac  {P_{{\triangle ACC_{1}}}}{P_{{\triangle BCC_{1}}}}}가 성립한다.
위와 동일한 방법으로
{\frac  {AC_{1}}{C_{1}B}}={\frac  {P_{{\triangle AC_{1}P}}}{P_{{\triangle BC_{1}P}}}}을 얻을 수 있다.
따라서
{\frac  {AC_{1}}{C_{1}B}}={\frac  {P_{{\triangle ACP}}+P_{{\triangle AC_{1}P}}}{P_{{\triangle BCP}}+P_{{\triangle BC_{1}P}}}}={\frac  {P_{{\triangle AC_{1}P}}}{P_{{\triangle BC_{1}P}}}}
위 식을 정리하면,
(i)   {\frac  {AC_{{1}}}{C_{{1}}B}}={\frac  {P_{{\triangle ACP}}}{P_{{\triangle BCP}}}}
이와 같은 방법으로 동일하게 구하면
(ii)  {\frac  {AB_{1}}{B_{1}C}}={\frac  {P_{{\triangle APB}}}{P_{{\triangle BCP}}}}
(i)식과 (ii)식을 각각 더하면
{\frac  {AB_{1}}{B_{1}C}}+{\frac  {AC_{1}}{C_{1}B}}={\frac  {P_{{\triangle APC}}+P_{{\triangle APB}}}{P_{{\triangle BCP}}}}={\frac  {AP}{PA_{1}}}
판 아우벌의 정리를 증명할 수 있다.

증명 Ⅱ

판 아우벌의 정리는 메넬라오스의 정리와 체바의 정리를 이용하여 증명할 수 있다.
삼각형 ABA_{{1}}과 직선 CC_{{1}}에 대해서 메넬라오스의 정리가 성립한다.
{\frac  {AC_{{1}}}{C_{{1}}B}}\cdot {\frac  {BC}{CA_{{1}}}}\cdot {\frac  {A_{{1}}P}{PA}}=1
이 식을 변형하면,
{\frac  {PA}{A_{{1}}P}}={\frac  {AC_{{1}}}{C_{{1}}B}}\cdot {\frac  {BC}{CA_{{1}}}}={\frac  {AC_{{1}}}{C_{{1}}B}}\cdot {\frac  {BA_{{1}}+CA_{{1}}}{CA_{{1}}}}={\frac  {AC_{{1}}}{C_{{1}}B}}\cdot ({\frac  {BA_{{1}}}{CA_{{1}}}}+{\frac  {CA_{{1}}}{CA_{{1}}}})
따라서,
(i) {\frac  {PA}{A_{{1}}P}}={\frac  {AC_{{1}}}{C_{{1}}B}}\cdot {\frac  {BA_{{1}}}{CA_{{1}}}}+{\frac  {AC_{{1}}}{C_{{1}}B}}
삼각형 ABC에서 체바의 정리가 성립한다.
{\frac  {AC_{{1}}}{C_{{1}}B}}\cdot {\frac  {BA_{{1}}}{A_{{1}}C}}\cdot {\frac  {CB_{{1}}}{B_{{1}}A}}=1
따라서,
(ii) {\frac  {B_{{1}}A}{CB_{{1}}}}={\frac  {AC_{{1}}}{C_{{1}}B}}\cdot {\frac  {BA_{{1}}}{A_{{1}}C}}
(ii)식을 (i)식에 대입하면

{\frac  {PA}{A_{{1}}P}}={\frac  {B_{{1}}A}{CB_{{1}}}}+{\frac  {AC_{{1}}}{C_{{1}}B}}

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