별과 정리
별과 정리 · 제136장 · 3부 · 멀리 보이는 것

체바의 정리

Ceva's Theorem
세 선이 한 점에서 만날 조건을 곱셈 하나로

삼각형 속 세 선이 만나는 기적

종이에 삼각형 ABC를 하나 그리고 내부에 점 P를 아무 데나 찍으세요. 세 꼭짓점에서 점 P를 지나는 선분을 그어 마주 보는 세 변과 만나는 점을 D, E, F라 부릅시다.

자로 잘려진 변의 길이 여섯 토막을 재어 건너뛰며 세 비를 곱해 보세요. 어떤 찌그러진 삼각형에서 시작해도 왜 세 비율의 곱은 정확히 1이 될까요?

이야기

체바의 정리
세 꼭짓점에서 그은 선이 한 점에서 만나는 조건

1678년 밀라노. 조반니 체바가 『직선에 대하여』를 펴냅니다. 그는 대학교수가 아니라 만토바 공국의 수리 담당 관리였습니다. 강물을 어디로 돌릴지 다투는 일을 맡았고, 수학은 그 일의 연장이었습니다.

그런데 이 정리는 그가 처음이 아닙니다. 11세기 사라고사의 왕이자 수학자였던 유수프 알무타만이 이미 자기 책에 적어 두었습니다. 유럽은 그것을 모른 채 육백 년을 보내고 다시 찾아낸 것입니다.

왜 이 곱이 딱 1이 될까요. 길이가 아니라 넓이로 보면 보입니다. 밑변을 나눈 두 토막의 길이 비는, 그 두 토막을 밑변으로 삼고 같은 꼭짓점을 쓰는 두 삼각형의 넓이 비와 같습니다. 높이가 같기 때문입니다.

그렇게 세 비를 모두 넓이로 바꿔 곱하면 같은 넓이가 분자와 분모에 한 번씩 나타나 모조리 지워집니다. 그래서 남는 것이 1입니다.

오늘 이것이 하는 일

바로 쓰이는 곳은 거의 없습니다. 「세 선이 한 점에서 만나는가」를 비의 곱 하나로 바꾸는 정리입니다.

다만 그 발상 — 복잡한 조건을 하나의 수로 줄이기 — 는 컴퓨터 기하와 로봇 제어에서 늘 쓰는 태도입니다.

계단 넷 — 같은 사실을 네 깊이로

초4 · 초5 — 손으로 해 본다

세 중선을 그어 한 점을 본다

삼각형 꼭짓점에서 마주 보는 변의 가운데 점(중점)을 이어 봅니다. 세 선분이 신기하게도 한 점(무게중심)에서 딱 만납니다.

각을 반으로 나누는 선을 그어도 세 선분은 한 점에서 만납니다. 변의 쪼개진 비율들을 건너뛰며 곱했을 때 1이 되는 신비한 규칙이 숨어 있기 때문입니다.

세 선이 한 점에서 만날까요

세 비를 밀어 보세요.
세 비의 곱 1 과의 차이 만나나
세 비의 곱이 1 이면 세 선이 한 점에서 만납니다.
다 1 로 두면 중선 셋 — 무게중심에서 만납니다.
중1 · 중2 — 까닭을 찾는다

삼각형에 선 세 개를 그어 본다

내부의 교점 P와 꼭짓점들이 만드는 작은 세 삼각형의 넓이를 비교해 봅시다. 밑변이 같은 직선 위에 있는 두 삼각형의 넓이비는 밑변의 길이비와 같습니다.

변 BC 위의 분할비 는 삼각형 PAB와 삼각형 PCA의 넓이비와 같습니다. 같은 방식으로 세 변의 분할비를 삼각형 넓이비로 바꿔 곱하면 분모와 분자가 모두 상쇄되어 곱이 깔끔하게 1이 됩니다.

중선·각의 이등분선·수선

삼각형을 밀어 보세요.
비 1 비 2 비 3
(b/c)(c/a)(a/b) = 1 — 그래서 각의 이등분선 셋은 내심에서 만납니다.
중선은 (1)(1)(1) = 1, 수선도 곱하면 1 입니다.
고1 · 고2 — 넓혀 본다

넓이비로 증명·메넬라오스와 짝

체바의 정리는 삼각형 ABC의 변 BC, CA, AB 위에 각각 점 D, E, F가 있을 때 세 직선 AD, BE, CF가 한 점에서 만날 필요충분조건이 임을 명시합니다.

무게중심(중선, ), 내심(각의 이등분선 정리 ), 수심, 방심의 공점선 정리가 모두 체바의 정리의 특별한 경우로 단 한 줄에 증명됩니다.

체바 점을 옮겨 보세요

두 비를 밀어 보세요.
셋째 비 비 1 비 2
둘을 정하면 셋째는 저절로 정해집니다.
자유도가 2 — 그래서 삼각형 안의 점이 평면을 이룹니다.
대학 — 어디까지 가나

사영기하

체바의 정리는 메넬라오스 정리와 함께 사영기하학(Projective Geometry)의 쌍대성(Duality)을 구성하는 핵심 기둥입니다. 동차좌표계(Homogeneous Coordinates)와 바리센트릭 좌표계(Barycentric Coordinates)에서 세 선의 공점성은 행렬식의 값이 0이 되는 대수적 조건과 완전히 일치합니다.

컴퓨터 그래픽스의 삼각 폴리곤 메쉬 렌더링, 텍스처 매핑 보간 계산 및 로봇 팔의 기구학적 기하 제어에 직접적으로 응용됩니다.

메넬라오스와 견줘 보세요

부호를 밀어 보세요.
곱의 값 뜻(0=한 점 1=일직선) 비의 개수
+1 이면 한 점에서 만나고, −1 이면 한 직선 위에 있습니다.
부호 하나가 완전히 다른 뜻을 만듭니다 — 사영기하의 쌍대성입니다.

풀어 보기

중학교 · 고등학교 수준  ·  답은 검산을 마쳤습니다

체바의 정리와 변의 비. 삼각형 ABC 내부의 한 점 P를 지나는 세 직선 AD, BE, CF가 변 BC, CA, AB와 만난다.

(1) 이고 일 때, 선분의 비 를 가장 간단한 자연수의 비로 구하시오.
(2) 체바의 정리를 이용하여 삼각형의 세 중선이 반드시 한 점에서 만남을 증명하시오.
(3) 삼각형 ABC에서 세 변의 길이가 일 때, 각의 이등분선들의 교점(내심)에 의해 생기는 의 값을 구하시오.

(1) 이므로 , 즉 입니다. (3) 1입니다.

답과 풀이 보기

(1) 입니다.
체바의 정리 — 세 선이 한 점에서 만나면

(2) 중선은 각 변의 중점을 지나므로 세 비가 모두 1 입니다.

곱하면 이므로 체바의 정리의 에 의해 세 중선은 반드시 한 점에서 만납니다. 그 점이 무게중심입니다.
⭐ 세 직선이 한 점에서 만나는 것은 우연히 일어나기 어려운 일입니다. 그런데 곱이 1 이라는 한 줄이 그것을 보장합니다.

(3) 1 입니다.
각의 이등분선 세 개는 내심에서 만나므로 체바의 정리에 의해 곱은 언제나 1 입니다.
직접 셈해도 같습니다 — 각의 이등분선 정리로

변의 길이가 모두 지워집니다.

1678 년 조반니 체바가 발표했지만, 11 세기 아랍의 알무타만 이븐 후드가 이미 알고 있었습니다.
⭐ 짝이 되는 정리가 있습니다 — 메넬라우스 정리는 세 점이 한 직선 위에 있을 때 곱이 이 됩니다. 한 점에서 만나느냐, 한 직선 위에 있느냐가 부호 하나로 갈립니다.

여기 「풀어 보기」는 기본 한 벌입니다. 더 풀어 보고 싶으면 행복수학의 그 단원으로 건너가세요.

만지는 수학으로 손에 쥐어 보기

이 장과 이어지는 「만지는 수학」 칼럼입니다. 손끝으로 직접 끌고 눌러 보며 같은 생각을 몸으로 겪을 수 있습니다.

더 멀리

「한 점에서 만나는가」를 재는 자입니다.

이어지는 장

삼각형 꼭짓점을 잇는 세 선분이 한 점에서 만나는 규칙은 선이 삼각형을 뚫고 지나갈 때와 짝을 이룹니다 — 제150장 에서 메넬라오스 정리와 앞뒤로 이어지는 쌍둥이 구조를 확인해 보세요.

영감을 받은 곳

이탈리아 수학자 조반니 체바(Giovanni Ceva)가 1678년 밀라노에서 출간한 저서 『직선에 관하여』(De lineis rectis)에서 발표했습니다.

올린 그림 — 크게 보고 고치기

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