三角形の円錐曲線

ユークリッド幾何学において、三角形の円錐曲線または三角形の二次曲線（英:Triangle conic）は三角形に定義される、円錐曲線の総称である。 たとえば、外接円や内接円、シュタイナー楕円、キーペルト双曲線が挙げられる。ほかに、それぞれの頂点または対辺ごとに定義される、アルツト放物線のようなものもある^[1]。

三角形の円錐曲線と言う言葉に、明確な定義は存在せず、文献の中で広く使われている （^[2][3][4][5]などを参照）。ギリシャの数学者Paris Pamfilosは「円錐曲線が外接するとは、△ABCの頂点3つを通ることであり、円錐曲線が内接するとは3辺に接することである」と述べた^[6][7]。三角形の円、楕円、放物線、双曲線（triangle circle,ellipse,parabola,hyperbola）といった言葉も同様に定義された。

Encyclopedia of Triangle CentersやCatalogue of Triangle Cubicsのような、三角形に対する図形の辞典のようなもので、円錐曲線がまとめられているものは2024年現在、存在しない^[8]。

三線座標x : y : zを用いて任意の円錐曲線は以下の式で表される。$${\displaystyle rx^{2}+sy^{2}+tz^{2}+2uyz+2vzx+2wxy=0.}$$うち、外接円錐曲線と内接円錐曲線は以下の式で表すことができる。$${\displaystyle {\begin{aligned}&uyz+vzx+wxy=0\\[2pt]&l^{2}x^{2}+m^{2}y^{2}+n^{2}z^{2}-2mnyz-2nlzx-2lmxy=0\end{aligned}}}$$

以下に有名な円錐曲線を挙げる。基準となる三角形を△ABC 、頂点及び角をA, B, C、その対辺をそれぞれa, b, c、とする。また、円錐曲線をあらわす三線座標の変数をx : y : zとする。

有名な三角形の円^[9]

No.	名称	定義	等式	図
1	外接円	頂点3つを通る円	${\displaystyle {\frac {a}{x}}+{\frac {b}{y}}+{\frac {c}{z}}=0}$
2	内接円	3辺に接する内側の円	${\displaystyle \pm {\sqrt {x}}\cos {\frac {A}{2}}\pm {\sqrt {y}}\cos {\frac {B}{2}}\pm {\sqrt {z}}\cos {\frac {C}{2}}=0}$
3	傍接円	辺の一つとは辺の内部で接し、他2辺とは延長線上で接する円	${\displaystyle {\begin{aligned}\pm {\sqrt {-x}}\cos {\frac {A}{2}}\pm {\sqrt {y}}\cos {\frac {B}{2}}\pm {\sqrt {z}}\cos {\frac {C}{2}}&=0\\[2pt]\pm {\sqrt {x}}\cos {\frac {A}{2}}\pm {\sqrt {-y}}\cos {\frac {B}{2}}\pm {\sqrt {z}}\cos {\frac {C}{2}}&=0\\[2pt]\pm {\sqrt {x}}\cos {\frac {A}{2}}\pm {\sqrt {y}}\cos {\frac {B}{2}}\pm {\sqrt {-z}}\cos {\frac {C}{2}}&=0\end{aligned}}}$
4	九点円	辺の中点、頂垂線の足、垂心と頂点の中点などを通る円	${\displaystyle {\begin{aligned}&x^{2}\sin 2A+y^{2}\sin 2B+z^{2}\sin 2C\ -\\&2(yz\sin A+zx\sin B+xy\sin C)=0\end{aligned}}}$
5	第一ルモワーヌ円	ルモワーヌ点を通り、各辺に平行な線と、他2辺の交点を通る円[10]

有名な三角形の楕円

No.	名称	定義	等式	図
1	シュタイナー外接楕円	△ABCの頂点を通り、重心を中心に持つ楕円	${\displaystyle {\frac {1}{ax}}+{\frac {1}{by}}+{\frac {1}{cz}}=0}$
2	シュタイナーの内接楕円	各辺と接し、重心を中心にもつ楕円	${\displaystyle {\begin{aligned}&a^{2}x^{2}+b^{2}y^{2}+c^{2}z^{2}-\\&2bcyz-2cazx-2abxy=0\end{aligned}}}$

三角形の双曲線

No.	名称	定義	等式	図形
1	キーペルト双曲線	3つの相似な二等辺三角形△XBC, △YCA, △ZAB, を三角形の同じ側に作ったときAX, BY, CZが交わる点の軌跡	${\displaystyle {\frac {\sin(B-C)}{x}}+{\frac {\sin(C-A)}{y}}+{\frac {\sin(A-B)}{z}}=0}$
2	ジェラベク双曲線	三角形の頂点、垂心、外心を通る双曲線	${\displaystyle {\begin{aligned}&{\frac {a(\sin 2B-\sin 2C)}{x}}+{\frac {b(\sin 2C-\sin 2A)}{y}}\\[2pt]&+{\frac {c(\sin 2A-\sin 2B)}{z}}=0\end{aligned}}}$
3	フォイエルバッハ双曲線	三角形の頂点、垂心、内心を通る円	${\displaystyle {\begin{aligned}&{\frac {\cos B-\cos C}{x}}+{\frac {\cos C-\cos A}{y}}\\&+{\frac {\cos A-\cos B}{z}}=0\end{aligned}}}$

有名な三角形の放物線

No.	名称	定義	等式	図
1	アルツト放物線[11][12][1]	B, CでAB, ACと接する放物線（他2組についても同様）	${\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {x^{2}}{a^{2}}}-{\frac {4yz}{bc}}&=0\\[2pt]{\frac {y^{2}}{b^{2}}}-{\frac {4zx}{ca}}&=0\\[2pt]{\frac {z^{2}}{c^{2}}}-{\frac {4xy}{ab}}&=0\end{aligned}}}$
2	キーペルト放物線[13]	3つの相似な二等辺三角形△A'BC, △AB'C, △ABC' を同じ側に作ったとき、△ABCと△A'B'C' の配景の軸が成す包絡線	${\displaystyle {\begin{aligned}&f^{2}x^{2}+g^{2}y^{2}+h^{2}z^{2}-\\[2pt]&2fgxy-2ghyz-2hfzx=0,\\[8pt]&{\text{where }}f=b^{2}-c^{2},\\&g=c^{2}-a^{2},\ h=a^{2}-b^{2}.\end{aligned}}}$

ホフスタッター楕円（Hofstadter ellipses）はある媒介変数によってあらわされる楕円の集合である^[14]。$${\displaystyle x^{2}+y^{2}+z^{2}+yz\left[D(t)+{\frac {1}{D(t)}}\right]+zx\left[E(t)+{\frac {1}{E(t)}}\right]+xy\left[F(t)+{\frac {1}{F(t)}}\right]=0}$$ただし t は媒介変数で$${\displaystyle {\begin{aligned}D(t)&=\cos A-\sin A\cot tA\\E(t)&=\cos B-\sin B\cot tB\\F(t)&=\cos C-\sin C\cot tC\end{aligned}}}$$である。 t と 1 − t が表す楕円は等しい。また t = 1/2のとき内接楕円$${\displaystyle x^{2}+y^{2}+z^{2}-2yz-2zx-2xy=0}$$となり t → 0とすると外接楕円$${\displaystyle {\frac {a}{Ax}}+{\frac {b}{By}}+{\frac {c}{Cz}}=0.}$$となる。

トムソン円錐曲線（Thomson Conics）は、各辺との接点を通る、各辺の法線が共点である内接円錐曲線の集合である。ダルブ―円錐曲線（Darboux Conics）は頂点での円錐曲線の法線が共点である外接円錐曲線である。双方の共点は、ダルブ―三次曲線上にある^[15][16]。

△ABCと点Pについて、Pを通るBC,CA,ABに平行な線と、他2辺との交点をそれぞれX_b, X_c, Y_c, Y_a, Z_a, Z_bとする。この6点は同一円錐曲線上にある。特にPが類似重心であるとき円となる。Pの三線座標をu:v:wとすると、6点を通る円錐曲線は以下の式で表される^[17]。$${\displaystyle -(u+v+w)^{2}(bcuyz+cavzx+abwxy)+(ax+by+cz)(vw(v+w)ax+wu(w+u)by+uv(u+v)cz)=0}$$

△ABCと点Pについて、AB,BC,CA,AP,BP,CPの中点と、AB,CP、BC,AP、CA,BPの交点の計9点を通る円錐曲線を九点円錐曲線（Nine-point conic）という^[18][19][20]。Pが垂心のとき円（九点円）、重心のとき内接楕円（シュタイナーの内接楕円）となる。

媒介辺数 ${\displaystyle \lambda }$を用いて、$${\displaystyle x^{2}+y^{2}+z^{2}-2\lambda (yz+zx+xy)=0,}$$で表される円錐曲線をイフ円錐曲線（Yff conics）という^[21] 。任意の点P(u : v : w)によって${\displaystyle \lambda }$は$${\displaystyle \lambda ={\frac {u^{2}+v^{2}+w^{2}}{2(vw+wu+uv)}}.}$$で表される。特に放物線（イフ放物線、Yff parabola）の時は$${\displaystyle \lambda ={\frac {a^{2}+b^{2}+c^{2}}{a^{2}+b^{2}+c^{2}-2(bc+ca+ab)}}=\lambda _{0}}$$である。

${\displaystyle \lambda <\lambda _{0}}$ または ${\displaystyle \lambda >{\frac {1}{2}}}$のとき楕円、 ${\displaystyle \lambda _{0}<\lambda <-1}$のとき双曲線となる。 ${\displaystyle -1<\lambda <{\frac {1}{2}}}$のときは、座標平面上には表れない。

△ABCと点Pについて、同じ向きにAP//BD//CE,BP//CG//AF,CP//AH//BIで、AP=AF=AH,BP=BD=BI,CP=CE=CGを満たすように点D,E,F,G,H,Iをとると、その6点は同一円錐曲線上にある。これをラビノヴィッツ円錐曲線（Rabinowitz Conics）と言う^[22]。

• 三角形の中心
• Central line
• 中心三角形（英語版）
• 三角形の三次曲線
• 近代三角形幾何学