莫雷角三分線定理

在歐幾里得幾何中，莫雷角三分線定理（Morley's theorem）說明對所有的三角形，其三個內角作角三分線，靠近公共邊三分線的三個交點，是一個等邊三角形。此定理由法蘭克·莫雷在1899年發現。對外角作外角三分線，也會有類似的性質，可以再作出4個等邊三角形。

此定理沒辦法用尺規作圖作出其等邊三角形，因為已經證明出尺規作圖無法作出三等分角。

證明

引理

由三倍角公式及和差公式可得出：

${\displaystyle \sin 3\theta \equiv 4\sin \theta \sin(60^{\circ }+\theta )\sin(120^{\circ }+\theta )}$

引理證明

${\displaystyle \sin 3\theta =3\sin \theta -4\sin ^{3}\theta }$

${\displaystyle =\sin \theta (3-4\sin ^{2}\theta )=\sin \theta (3\cos ^{2}\theta -\sin ^{2}\theta )}$

${\displaystyle =\sin \theta ({\sqrt {3}}\cos \theta +\sin \theta )({\sqrt {3}}\cos \theta -\sin \theta )}$

${\displaystyle =4\sin \theta ({\tfrac {\sqrt {3}}{2}}\cos \theta +{\tfrac {1}{2}}\sin \theta )({\tfrac {\sqrt {3}}{2}}\cos \theta -{\tfrac {1}{2}}\sin \theta )}$

${\displaystyle =4\sin \theta \sin(60^{\circ }+\theta )\sin(120^{\circ }+\theta )}$

莫雷角三分線定理證明

定理證明

在${\displaystyle \triangle ABC}$中：

${\displaystyle \alpha }$是${\displaystyle \angle A}$的三等分角

${\displaystyle \beta }$是${\displaystyle \angle B}$的三等分角

${\displaystyle \gamma }$是${\displaystyle \angle C}$的三等分角

作6條角三分線分別為${\displaystyle {\overline {BX}}}$、${\displaystyle {\overline {XC}}}$、${\displaystyle {\overline {CY}}}$、${\displaystyle {\overline {YA}}}$、${\displaystyle {\overline {AZ}}}$、${\displaystyle {\overline {ZB}}}$，作${\displaystyle D}$、${\displaystyle E}$、${\displaystyle F}$在${\displaystyle {\overline {BC}}}$上，且${\displaystyle {\overline {BC}}\bot {\overline {XD}}}$、${\displaystyle \angle BXE=\angle CXF=60^{\circ }}$

容易得出${\displaystyle \alpha +\beta +\gamma =60^{\circ }}$，由此等式還可以得出以下三式：

${\displaystyle \angle BXC=120^{\circ }+\alpha }$

${\displaystyle \angle CYA=120^{\circ }+\beta }$

${\displaystyle \angle AZB=120^{\circ }+\gamma }$

由正弦定理可得出：

${\displaystyle \sin(120^{\circ }+\beta )={\frac {{\overline {AC}}\sin \gamma }{\overline {AY}}}}$

${\displaystyle \sin(120^{\circ }+\gamma )={\frac {{\overline {AB}}\sin \beta }{\overline {AZ}}}}$

從這裏可以得出${\displaystyle \triangle XEF}$的三個內角，計算出${\displaystyle \angle XEF}$和${\displaystyle \angle XFE}$的正弦值：

${\displaystyle \angle EXF=\alpha }$

${\displaystyle \angle XEF=60^{\circ }+\beta \Rightarrow \sin(60^{\circ }+\beta )={\tfrac {\overline {XD}}{\overline {XE}}}}$

${\displaystyle \angle XFE=60^{\circ }+\gamma \Rightarrow \sin(60^{\circ }+\gamma )={\tfrac {\overline {XD}}{\overline {XF}}}}$

我們知道：

${\displaystyle {\overline {AB}}\sin 3\beta ={\overline {AC}}\sin 3\gamma }$

從引理我們可以得出：

${\displaystyle {\overline {AB}}4\sin \beta \sin(60^{\circ }+\beta )\sin(120^{\circ }+\beta )={\overline {AC}}4\sin \gamma \sin(60^{\circ }+\gamma )\sin(120^{\circ }+\gamma )}$

${\displaystyle {\overline {AB}}\sin \beta {\frac {\overline {XD}}{\overline {XE}}}{\frac {{\overline {AC}}\sin \gamma }{\overline {AY}}}={\overline {AC}}\sin \gamma {\frac {\overline {XD}}{\overline {XF}}}{\frac {{\overline {AB}}\sin \beta }{\overline {AZ}}}}$

化簡後得出：

${\displaystyle {\frac {\overline {XE}}{\overline {XF}}}={\frac {\overline {AZ}}{\overline {AY}}}\Rightarrow \triangle XEF\approx \triangle AZY}$

因為${\displaystyle \triangle XEF}$和${\displaystyle \triangle AYZ}$相似，所以可得出：

${\displaystyle \angle AZY=\angle XEF=60^{\circ }+\beta }$

${\displaystyle \angle AYZ=\angle XFE=60^{\circ }+\gamma }$

同理可得出：

${\displaystyle \angle BZX=60^{\circ }+\alpha }$

${\displaystyle \angle CYX=60^{\circ }+\alpha }$

綜合以上結果，可得出${\displaystyle \angle XZY=\angle XYZ=60^{\circ }}$，因此${\displaystyle \triangle XYZ}$是等邊三角形

推廣

更一般的莫雷角三分線定理由Taylor和Marr於1914年發表，將6條角三分線順時鐘和逆時鐘旋轉120°，其交點共可得出27個不同的等邊三角形。

參見

• 三等分角
• 三角恆等式

參考資料

• Johnson, R. A. Modern Geometry: An Elementary Treatise on the Geometry of the Triangle and the Circle. Boston, MA: Houghton Mifflin, pp. 253-256, 1929.
• Morley's Miracle — Several proofs of Morley's theorem （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
• Morleys Theorem （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） MathWorld
• Morley's Trisection Theorem MathPages