§A5.19反転と円円対応

最終更新

反転とは、中心O\mathrm{O}と正の半径ρ\rhoを固定し、中心を除く点X\mathrm{X}を同じ半直線上の点X∗\mathrm{X}^{*}へ、OX⋅OX∗=ρ2\mathrm{OX}\cdot\mathrm{OX}^{*}=\rho^{2}となるように移す操作である。近い点は遠くへ、遠い点は近くへ移りますが、中心からの距離の積は変わりません。この記事では、反転が円と直線を円へ移す仕組みと、距離・角度をどのように扱うかを証明します。

ここでO\mathrm{O}は平面上の固定点、ρ>0\rho>0は固定した実数とする。点や曲線を反転するときは、O\mathrm{O}を含まない部分だけを通常の平面で考える。

定理 1 (反転の円円対応(主定理)). 中心O\mathrm{O}、半径ρ>0\rho>0の反転について、中心を通らない円は円へ、中心を通る円は中心を通らない直線へ移る。中心を通らない直線は中心を通る円へ、中心を通る直線は同じ直線へ移る。さらに反転は自分自身が逆写像であり、中心以外の滑らかな曲線の交角の大きさを保つ。

1 まず動かして見る

下の図では、中心O=(0,0)\mathrm{O}=(0,0)、反転半径ρ=2\rho=2です。円Γ\Gammaは中心(3,0)(3,0)、半径11なので、中心O\mathrm{O}を通りません。円周上の点P\mathrm{P}を動かすと、その反転像P∗\mathrm{P}^{*}も動きます。P∗\mathrm{P}^{*}は別の円の上に残ること、また3点O,P,P∗\mathrm{O},\mathrm{P},\mathrm{P}^{*}が一直線上にあることを観察してください。

図で円周上にとどまることが見えたとしても、観察は証明ではありません。 図が表示するのは選んだ座標と有限個の位置だけです。以下では、距離の式を計算して、なぜ円が円へ移るのかをすべての点について示します。

2 反転の定義と基本性質

定義 2.1 (反転). 中心O\mathrm{O}、半径ρ>0\rho>0の反転とは、O\mathrm{O}以外の各点X\mathrm{X}に対し、半直線OX\mathrm{OX}上のただ1つの点X∗\mathrm{X}^{*}を

OX⋅OX∗=ρ2\mathrm{OX}\cdot\mathrm{OX}^{*}=\rho^{2}

となるように対応させる写像である。点X∗\mathrm{X}^{*}をX\mathrm{X}の反転像と呼ぶ。

OX>0\mathrm{OX}>0なので、定義からOX∗=ρ2/OX\mathrm{OX}^{*}=\rho^{2}/\mathrm{OX}がただ1つ決まります。座標の原点をO\mathrm{O}に置き、点を位置ベクトルx\mathbf{x}で表すと、反転は

x∗=ρ2∥x∥2x(x≠0)\mathbf{x}^{*}=\frac{\rho^{2}}{\|\mathbf{x}\|^{2}}\mathbf{x}\qquad(\mathbf{x}\ne\mathbf{0})

と書けます。

定理 2.2 (反転の基本性質). 中心O\mathrm{O}、半径ρ>0\rho>0の反転について、X,Y\mathrm{X},\mathrm{Y}をO\mathrm{O}と異なる点とする。

  1. O,X,X∗\mathrm{O},\mathrm{X},\mathrm{X}^{*}は一直線上にあり、OX⋅OX∗=ρ2\mathrm{OX}\cdot\mathrm{OX}^{*}=\rho^{2}である。
  2. (X∗)∗=X(\mathrm{X}^{*})^{*}=\mathrm{X}である。特に、反転は自分自身が逆写像である。
  3. OX=ρ\mathrm{OX}=\rhoの点は動かない。
  4. X≠Y\mathrm{X}\ne\mathrm{Y}ならば X∗Y∗=ρ2OX⋅OY XY.\mathrm{X}^{*}\mathrm{Y}^{*}=\frac{\rho^{2}}{\mathrm{OX}\cdot\mathrm{OY}}\,\mathrm{XY}.

証明. 1, 2, 3 は定義を展開すればよい。X∗\mathrm{X}^{*}はOX\mathrm{OX}と同じ半直線上にあり、その距離はρ2/OX\rho^{2}/\mathrm{OX}なので、1 が成り立つ。さらに

OX∗⋅OX∗∗=ρ2\mathrm{OX}^{*}\cdot\mathrm{OX}^{**}=\rho^{2}

であり、OX∗=ρ2/OX\mathrm{OX}^{*}=\rho^{2}/\mathrm{OX}を代入するとOX∗∗=OX\mathrm{OX}^{**}=\mathrm{OX}となる。同じ半直線上で中心からの距離が等しい点は同じ点だからX∗∗=X\mathrm{X}^{**}=\mathrm{X}である。またOX=ρ\mathrm{OX}=\rhoならOX∗=ρ\mathrm{OX}^{*}=\rhoで、同じ半直線上にあるのでX∗=X\mathrm{X}^{*}=\mathrm{X}である。

4 を座標で示す。O\mathrm{O}を原点とし、x,y\mathbf{x},\mathbf{y}をX,Y\mathrm{X},\mathrm{Y}の位置ベクトルとする。内積を展開すると

∥x∗−y∗∥2=ρ4∥x∥x∥2−y∥y∥2∥2=ρ4∥x∥2∥y∥2(∥x∥2+∥y∥2−2x⋅y)=ρ4∥x∥2∥y∥2∥x−y∥2.\begin{aligned} \|\mathbf{x}^{*}-\mathbf{y}^{*}\|^{2} &=\rho^{4}\left\|\frac{\mathbf{x}}{\|\mathbf{x}\|^{2}}-\frac{\mathbf{y}}{\|\mathbf{y}\|^{2}}\right\|^{2}\\ &=\frac{\rho^{4}}{\|\mathbf{x}\|^{2}\|\mathbf{y}\|^{2}} \left(\|\mathbf{x}\|^{2}+\|\mathbf{y}\|^{2}-2\mathbf{x}\cdot\mathbf{y}\right)\\ &=\frac{\rho^{4}}{\|\mathbf{x}\|^{2}\|\mathbf{y}\|^{2}}\|\mathbf{x}-\mathbf{y}\|^{2}. \end{aligned}

距離は非負なので平方根をとり、4 を得る。▨

系 2.3 (反転での距離比). 相異なる点X,Y,Z\mathrm{X},\mathrm{Y},\mathrm{Z}がいずれもO\mathrm{O}と異なるならば、反転後の距離比は

X∗Y∗X∗Z∗=XYXZ OZOY\frac{\mathrm{X}^{*}\mathrm{Y}^{*}}{\mathrm{X}^{*}\mathrm{Z}^{*}} =\frac{\mathrm{XY}}{\mathrm{XZ}}\,\frac{\mathrm{OZ}}{\mathrm{OY}}

である。

証明.定理 2.2の4を、組(X,Y)(\mathrm{X},\mathrm{Y})と組(X,Z)(\mathrm{X},\mathrm{Z})に適用して割り算する。すべての距離は点の相異性とO\mathrm{O}からの非一致により正なので、割り算ができ、表示された式を得る。▨

4 は、1つの配置の中ではすべての距離が同じ倍率になる、という式ではありません。倍率はX,Y\mathrm{X},\mathrm{Y}の中心からの距離に依存します。したがって、一般の線分比はそのまま保存されません。中心からの距離の因子を落とさないことが重要です。

3 円と直線の対応

円と直線の対応を、中心O\mathrm{O}を原点としたベクトル方程式で分類します。

定理 3.1 (円と直線の反転像). 反転の中心をO\mathrm{O}、半径をρ>0\rho>0とする。円Γ\Gammaの中心をC\mathrm{C}、半径をr>0r>0とし、c\mathbf{c}をOC\mathrm{OC}の位置ベクトルとする。

  1. O∉Γ\mathrm{O}\notin\Gamma、すなわちd=∥c∥2−r2≠0d=\|\mathbf{c}\|^{2}-r^{2}\ne0ならば、Γ\GammaのO\mathrm{O}以外の点の反転像は円 ∥u−ρ2dc∥=ρ2r∣d∣\left\|\mathbf{u}-\frac{\rho^{2}}{d}\mathbf{c}\right\| =\frac{\rho^{2}r}{|d|} である。
  2. O∈Γ\mathrm{O}\in\Gamma、すなわち∥c∥=r\|\mathbf{c}\|=rならば、反転像はO\mathrm{O}を通らない直線 c⋅u=ρ22\mathbf{c}\cdot\mathbf{u}=\frac{\rho^{2}}{2} である。この直線上のすべての点は、O\mathrm{O}を除くΓ\Gammaの点の反転像として得られる。

また、直線ℓ\ellがO\mathrm{O}を通らず、単位法線ベクトルn\mathbf{n}とh≠0h\ne0を用いて

n⋅x=h\mathbf{n}\cdot\mathbf{x}=h

と書けるなら、その反転像はO\mathrm{O}を通る円

∥u−ρ22hn∥=ρ22∣h∣\left\|\mathbf{u}-\frac{\rho^{2}}{2h}\mathbf{n}\right\|=\frac{\rho^{2}}{2|h|}

である。O\mathrm{O}を通る直線は、O\mathrm{O}を除けば同じ直線へ移る。

証明. 反転前の点を位置ベクトルx\mathbf{x}、反転後の点をu\mathbf{u}とする。定義から

u=ρ2∥x∥2x,x=ρ2∥u∥2u\mathbf{u}=\frac{\rho^{2}}{\|\mathbf{x}\|^{2}}\mathbf{x}, \qquad \mathbf{x}=\frac{\rho^{2}}{\|\mathbf{u}\|^{2}}\mathbf{u}

である。

円Γ\Gammaの方程式は

∥x−c∥2=r2,\|\mathbf{x}-\mathbf{c}\|^{2}=r^{2},

すなわち

∥x∥2−2c⋅x+∥c∥2−r2=0\|\mathbf{x}\|^{2}-2\mathbf{c}\cdot\mathbf{x}+\|\mathbf{c}\|^{2}-r^{2}=0

である。ここへx=ρ2u/∥u∥2\mathbf{x}=\rho^{2}\mathbf{u}/\|\mathbf{u}\|^{2}を代入し、d=∥c∥2−r2d=\|\mathbf{c}\|^{2}-r^{2}とおくと

d∥u∥2−2ρ2c⋅u+ρ4=0d\|\mathbf{u}\|^{2}-2\rho^{2}\mathbf{c}\cdot\mathbf{u}+\rho^{4}=0

を得る。

d≠0d\ne0のとき両辺をddで割り、平方完成すると

∥u−ρ2dc∥2=ρ4d2(∥c∥2−d)=ρ4r2d2.\left\|\mathbf{u}-\frac{\rho^{2}}{d}\mathbf{c}\right\|^{2} =\frac{\rho^{4}}{d^{2}}\left(\|\mathbf{c}\|^{2}-d\right) =\frac{\rho^{4}r^{2}}{d^{2}}.

右辺は正なので、1 の円の方程式である。逆向きの代入も同値変形なので、この円上のO\mathrm{O}でない点がちょうど像になる。

d=0d=0のときは、同じ式が

−2ρ2c⋅u+ρ4=0-2\rho^{2}\mathbf{c}\cdot\mathbf{u}+\rho^{4}=0

となる。よってc⋅u=ρ2/2\mathbf{c}\cdot\mathbf{u}=\rho^{2}/2であり、2 の直線を得る。この直線はu=0\mathbf{u}=\mathbf{0}を満たさないので、像に中心が混ざることもない。

直線n⋅x=h\mathbf{n}\cdot\mathbf{x}=hへx=ρ2u/∥u∥2\mathbf{x}=\rho^{2}\mathbf{u}/\|\mathbf{u}\|^{2}を代入すると

h∥u∥2−ρ2n⋅u=0h\|\mathbf{u}\|^{2}-\rho^{2}\mathbf{n}\cdot\mathbf{u}=0

である。h≠0h\ne0なので平方完成して

∥u−ρ22hn∥2=ρ44h2\left\|\mathbf{u}-\frac{\rho^{2}}{2h}\mathbf{n}\right\|^{2} =\frac{\rho^{4}}{4h^{2}}

となる。中心から右辺の半径を引くと00なので、この円はO\mathrm{O}を通る。最後にh=0h=0、すなわち直線がO\mathrm{O}を通る場合は、x\mathbf{x}とu\mathbf{u}が同じ直線方向をもつことから、直線自身が集合として保たれる。▨

この定理のポイントは、円の方程式に現れる定数d=OC2−r2d=\mathrm{OC}^{2}-r^{2}です。ddは§A5.7 定義 1で中心O\mathrm{O}の方べきを計算した値でもあります。O\mathrm{O}が円の外側ならd>0d>0、内側ならd<0d<0、円周上ならd=0d=0で、最後の場合だけ2次式の項が消えて直線になります。

4 角度は何が保存されるか

反転は線分の角を、対応する3点の三角形の角としてそのまま保存する写像ではありません。保存されるのは、曲線が交わる点での接線どうしの角です。これは「円が円へ移る」ことを角度の議論に使うときの正確な言い方です。

定理 4.1 (反転は交角の大きさを保存する).γ1,γ2\gamma_1,\gamma_2が点X≠O\mathrm{X}\ne\mathrm{O}で交わり、各曲線がX\mathrm{X}の近傍ではO\mathrm{O}を通らない滑らかな曲線であるとする。γi\gamma_iの反転像をγi∗\gamma_i^{*}とし、X∗\mathrm{X}^{*}における接線が存在すると仮定する。このとき、γ1,γ2\gamma_1,\gamma_2のX\mathrm{X}における接線のなす角の大きさと、γ1∗,γ2∗\gamma_1^{*},\gamma_2^{*}のX∗\mathrm{X}^{*}における接線のなす角の大きさは等しい。向きをつけた角は符号が反転する。

証明.O\mathrm{O}を原点とし、反転を写す関数を

F(x)=ρ2∥x∥2xF(\mathbf{x})=\frac{\rho^{2}}{\|\mathbf{x}\|^{2}}\mathbf{x}

と書く。x≠0\mathbf{x}\ne\mathbf{0}における微分を、方向ベクトルv\mathbf{v}に作用させると

DFx(v)=ρ2∥x∥2(v−2x⋅v∥x∥2x).DF_{\mathbf{x}}(\mathbf{v}) =\frac{\rho^{2}}{\|\mathbf{x}\|^{2}} \left(\mathbf{v}-2\frac{\mathbf{x}\cdot\mathbf{v}}{\|\mathbf{x}\|^{2}}\mathbf{x}\right).

括弧内の写像は、x\mathbf{x}方向成分の符号だけを反転する反射である。したがって、v,w\mathbf{v},\mathbf{w}が作る角の大きさはDFx(v),DFx(w)DF_{\mathbf{x}}(\mathbf{v}),DF_{\mathbf{x}}(\mathbf{w})が作る角の大きさと等しい。曲線γi\gamma_iのX\mathrm{X}における接ベクトルにこれを適用すれば、主張を得る。反射の行列式は負なので、向きをつけた角は符号が反転する。▨

例えば、O\mathrm{O}を通らない2本の直線ℓ1,ℓ2\ell_1,\ell_2がX\mathrm{X}で交わるなら、各直線の像はX∗\mathrm{X}^{*}を通る円です。元の直線の角を反転後に読むときは、像の円の弧そのものではなく、その点での接線を使います。円と直線の接触、2円の接触、交わる2円の角は、この定理をそのまま適用できます。

5 典型的な使い方

反転を問題へ持ち込むときは、次の順に対象を選びます。

  1. 多くの円が通る点、または接線を調べたい点を反転中心O\mathrm{O}にする。
  2. その点を通る円を反転して直線にし、円どうしの条件を直線どうしの条件へ変える。
  3. 距離の積OX⋅OX∗=ρ2\mathrm{OX}\cdot\mathrm{OX}^{*}=\rho^{2}と定理 2.2の距離公式で、長さの結論を元へ戻す。
  4. 角度の結論は定理 4.1により接線の交角として戻す。

5.1 例:共通点を通る円を2本の直線へ変える

O\mathrm{O}を通る相異なる2円Γ1,Γ2\Gamma_1,\Gamma_2が、O\mathrm{O}以外の点A\mathrm{A}でも交わるとする。O\mathrm{O}を中心とする任意の反転を施すと、定理定理 3.1によりΓ1,Γ2\Gamma_1,\Gamma_2は2本の直線ℓ1,ℓ2\ell_1,\ell_2へ移る。点A\mathrm{A}の像A∗\mathrm{A}^{*}は両直線上にあるので

A∗=ℓ1∩ℓ2.\mathrm{A}^{*}=\ell_1\cap\ell_2.

つまり、元の「O\mathrm{O}を通る2円のもう1つの交点」を直接探す代わりに、反転後の2直線の交点を求め、最後にもう一度反転すればよい。交点を求めるだけなら、2円の方程式を連立するより2直線の方が扱いやすいことがある。

この変換で角度も読めます。Γ1,Γ2\Gamma_1,\Gamma_2がA\mathrm{A}で交わるとき、A∗\mathrm{A}^{*}でのℓ1,ℓ2\ell_1,\ell_2の角は、元の2円のA\mathrm{A}での接線の角に等しい。これは定理 4.1を、2本の円弧へ適用したものです。円を直線へ変えたからといって、円周上の弦の角を無条件に読み替えているのではなく、接線の角を読み替えている点に注意してください。

5.2 例:方べきの積を反転で作る

円Γ\GammaとO\mathrm{O}以外の点P\mathrm{P}を固定し、P\mathrm{P}を通る直線がΓ\GammaとA,B\mathrm{A},\mathrm{B}で交わるとする。反転後には、一般に直線PAB\mathrm{PAB}は直線のままではなく、O\mathrm{O}を通る円へ移ります。したがって「反転した3点が一直線上にある」と早合点してはいけません。正しくは距離公式から

A∗B∗=ρ2OA⋅OB AB\mathrm{A}^{*}\mathrm{B}^{*} =\frac{\rho^{2}}{\mathrm{OA}\cdot\mathrm{OB}}\,\mathrm{AB}

を得て、必要なら§A5.7 定理 2.1の方べきの積と組み合わせます。反転後の図形が直線になるのは、元の直線がO\mathrm{O}を通る場合に限られるからです。この「何が直線として残るか」を先に判定することが、反転で長さを扱う基本手順です。

6 縮退・境界ケースと適用範囲

  • 中心O\mathrm{O}:通常の平面反転ではO\mathrm{O}の像は定義しない。拡張平面で「無限遠点へ移る」と表すことはできるが、この記事の距離公式はOX>0\mathrm{OX}>0を仮定している。
  • 反転円上の点:OX=ρ\mathrm{OX}=\rhoならX∗=X\mathrm{X}^{*}=\mathrm{X}である。図形全体が固定されるという意味ではなく、その円周上の各点が個別に固定される。
  • 円が中心を通る場合:円の中心がO\mathrm{O}と一致する、という意味ではない。円周がO\mathrm{O}を含むときに像が直線となる。元の円からO\mathrm{O}を除くので、像の直線上に「O\mathrm{O}の像」という有限点は追加しない。
  • 直線が中心を通る場合:中心を除く直線は同じ直線へ移る。中心を通らない直線だけが、中心を通る円へ移る。
  • 円の式の分母dd:d=OC2−r2d=\mathrm{OC}^{2}-r^{2}は0でない場合にだけ円の像の中心公式を使える。d=0d=0では分母で割らず、直線の方程式を直接使う。
  • 一致する点や角:距離公式はX,Y≠O\mathrm{X},\mathrm{Y}\ne\mathrm{O}を仮定し、角度の定理は2本の接線が定まり、接ベクトルが零でない交点を仮定する。点の一致、中心での角、曲線の尖点ではそのまま適用しない。
  • 円周上の点の対応:反転像を同じ円の上に置くには、その円が反転で不変であるなどの追加条件が必要である。一般の円では、定理の式で求めた別の円を使う。

前提記事