1 円の方程式から定義する
定義 1.1 (極線と極点). 円Γ:x2+y2=r2(r>0)に対し、P=(u,v)=(0,0)の極線を
polΓ(P):ux+vy=r2とする。点Pはこの直線の極点である。
定理 1.2 (極線の相反性(主定理)). 円Γ:x2+y2=r2(r>0)と、原点でない有限点P=(u,v)、Q=(s,t)に対し、上の定義による極線を考えると、
Q∈polΓ(P)⟺P∈polΓ(Q).外部点の場合、この極線は2本の接線の接点を結ぶ直線である。
図は接点と極線の関係を実演するものであり、相反性の証明ではありません。
この式の左辺はPとX=(x,y)の内積である。したがって極線は、Pの方べきu2+v2−r2を係数に含む自然な直線である。
2 外部点では接点を結ぶ直線になる
定理 2.1 (外部点の極線).Pが円の外部にあるとき、Pから円へ引いた2本の接線の接点をT1,T2とすると、極線polΓ(P)は直線T1T2である。
証明. 接点T=(x,y)では半径OTと接線PTが垂直なので、
(T−P)⋅T=0である。∣T∣2=r2を代入するとP⋅T=r2、すなわちux+vy=r2となる。2つの接点はいずれもこの直線上にあり、相異なる2点なのでその直線が極線である。▨
内部点では実接線は存在しないが、同じ式の直線は存在する。この拡張が「接線を2本引ける場合」だけではない極線の利点である。
3 ラ・イールの定理
定理 3.1 (極点と極線の相反性). 相異なる原点でない点P=(u,v)とQ=(s,t)について、
Q∈polΓ(P)⟺P∈polΓ(Q).
証明. 左辺はus+vt=r2である。内積の対称性によりこれはsu+tv=r2と同値であり、これは右辺の定義である。▨
この相反性をラ・イールの定理という。点と直線を交換しても同じ式が残るため、極線の理論には双対的な見方が現れる。
4 円周上の極線
系 4.1 (円周上の極線).Pが円周上にあるとき、Pの極線はPにおける接線である。
証明. 円周上のP=(u,v)ではu2+v2=r2。点Pはux+vy=r2を満たし、この直線の法線ベクトルはPである。したがって半径OPに垂直な接線である。▨
2点P,Qの極線の交点をRとする。相反性からP,QはRの極線上にある。逆に、P,Qを通る直線の極点は、2つの極線の交点として得られる。この対応は、円に関する接線の配置を点と直線の配置へ翻訳する。