このとき,三角形O1O2Pの内心(内接円の中心)Qの軌跡はどんな図形を描くだろうか。twitterでアニメーションをみかけたが,楕円に見えたので確かめてみよう。点Pは次の楕円の方程式の上を動く。
x2a2+y2b2=1a2=b2+c2
このとき,ℓ1,ℓ2を求めてみる。
ℓ1=√(x+c)2+y2=√(x+c)2+b2(1−(x/a)2)=√(x+c)2+(1−c2/a2)(a2−x2)=a+cxaℓ2=√(x−c)2+y2=√(x−c)2+b2(1−(x/a)2)=√(x−c)2+(1−c2/a2)(a2−x2)=a−cxa
次に,内心Qの座標を,(p,q)とする。qは内接円の半径と等しい。三角形の内接円の半径rは,三角形の面積Sと2S=(ℓ1+ℓ2+2c)rの関係がある。ヘロンの公式より,
s=(ℓ1+ℓ2+2c)/2=a+cS=√s(s−2c)(s−ℓ1)(s−ℓ2)=√(a+c)(a−c)(c−cx/a)(c+cx/a)∴q=r=Sa+c=c√a−ca+c(1−x2/a2)=cyb√a−ca+c≡c y εb
また,角PO1O2=ϕ,角PO2O1=θとすると,余弦定理から,
cosϕ=ℓ21+(2c)2−ℓ224ℓ1c=x+cℓ1cosθ=ℓ22+(2c)2−ℓ214ℓ1c=c−xℓ2
内心の性質から,角QO1O2=ϕ/2,角QO2O1=θ/2であり,半角の公式から,
tanϕ2=√1−cosϕ1+cosϕ=√ℓ1−(x+c)ℓ1+(x+c)=√a+cx/a−(x+c)a+cx/a+(x+c)=ε√a−xa+xtanθ2=√1−cosθ1+cosθ=√ℓ2−(c−x)ℓ2+(c−x)=√a−cx/a−(c−x)a−cx/a+(c−x)=ε√a+xa−x
O1から角度ϕ/2で望む内心Qのy座標が,O2から角度θ/2で望むものと等しいことから,
(p+c)tanϕ2=(c−p)tanθ2p(tanϕ2+tanθ2)=c(tanθ2−tanϕ2)pε(√a−xa+x+√a+xa−x)=cε(√a+xa−x−√a−xa+x)2apε=2xcε∴p=cax
これから,内心Qの満足する軌跡の方程式は,Pが描く楕円の軌跡の式を用いて以下のように求まった。
p2c2+q2(cε)2=1
図 楕円の軌跡(青)と内心の軌跡(赤)