シュタイナー・レームスの定理

シュタイナー・レームスの定理 (英: Steiner–Lehmus theorem) は、幾何学の定理である。この定理はルドルフ・レームスによって予想され、その後ヤコブ・シュタイナーによって証明された。

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定理

等しい長さの2つの角の二等分線を有する全ての三角形は二等辺三角形である。

△ABCで、AB = c, BC = a, CA = b とする。

∠Cの二等分線をCE、∠Bの二等分線をBDとすると、角の二等分線の性質より、

BD^{2}=ac-AD\cdot CD

CE^{2}=ab-AE\cdot BE

AD={\dfrac {bc}{a+c}}

DC={\dfrac {ab}{a+c}}

AE={\dfrac {bc}{a+b}}

EB={\dfrac {ac}{a+b}}

以上より、BD = CEのとき、

ac-{\dfrac {ab^{2}c}{(a+c)^{2}}}=ab-{\dfrac {abc^{2}}{(a+b)^{2}}}

である。

つまり、

{\begin{aligned}ac-{\frac {ab^{2}c}{(a+c)^{2}}}&=ab-{\frac {abc^{2}}{(a+b)^{2}}}\\b+{\frac {b^{2}c}{(a+c)^{2}}}&=c+{\frac {bc^{2}}{(a+b)^{2}}}\\b(a+b)^{2}(a+c)^{2}+b^{2}c(a+b)^{2}&=c(a+b)^{2}(a+c)^{2}+bc^{2}(a+c)^{2}\\b(a+b)^{2}(a+c)^{2}+b^{2}c(a+b+c-c)^{2}&=c(a+b)^{2}(a+c)^{2}+bc^{2}(a+b+c-b)^{2}\\b(a+b)^{2}(a+c)^{2}+b^{2}c(a+b+c)^{2}-2b^{2}c^{2}(a+b+c)+b^{2}c^{3}&=c(a+b)^{2}(a+c)^{2}+bc^{2}(a+b+c)^{2}-2b^{2}c^{2}(a+b+c)+b^{3}c^{2}\\b(a+b)^{2}(a+c)^{2}+b^{2}c(a+b+c)^{2}-b^{3}c^{2}&=c(a+b)^{2}(a+c)^{2}+bc^{2}(a+b+c)^{2}-b^{2}c^{3}\\b((a+b)^{2}(a+c)^{2}+bc(a+b+c)^{2}-b^{2}c^{2})&=c((a+b)^{2}(a+c)^{2}+bc(a+b+c)^{2}-b^{2}c^{2})\\b&=c\\\end{aligned}}

但し、

{\begin{aligned}&(a+b)^{2}(a+c)^{2}+bc(a+b+c)^{2}-b^{2}c^{2}\\&=((a+b)(a+c))^{2}-b^{2}c^{2}+bc(a+b+c)^{2}\\&=((a+b)(a+c)+bc)((a+b)(a+c)-bc)+bc(a+b+c)^{2}\\&=((a+b)(a+c)+bc)(a^{2}+a(b+c)+bc-bc)+bc(a+b+c)^{2}\\&=((a+b)(a+c)+bc)(a^{2}+a(b+c))+bc(a+b+c)^{2}\\&\neq 0\end{aligned}}

である。これは示されるべきことであった。