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「円周角と弧の定理」「直径と円周角の定理」を わかりやすく解説

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青山学院大学教育学科卒業。TOEIC795点。2児の母。2019年の長女の高校受験時、訳あって塾には行かずに自宅学習のみで挑戦することになり、教科書をイチから一緒に読み直しながら勉強を見た結果、偏差値20上昇。志望校の特待生クラストップ10位内で合格を果たす。 ※サイト全体の運営実績についてはこちらにまとめています。

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  1. また、教えてください。

    円周を全て適当な長さの円弧で分割した時、各円弧の中心角の総和は360度なのでその円周角の総和は180度となって、円周角は中心角の半分になるということとつじつまが合います。

    友達に聞かれてよくわからなくなったのですが、一つの円弧の中心角がどんどん大きくなって360度に近づくにつれ、円周角も限りなく180度に近づくのがわかります。
    でも、中心角が360度になってしまうと、円弧の両端と円周角の頂点は完全に一つの点になってしまう…円周角は出来ない??
    このことは0,999……=1になるという無限の考え方と同じで、179.999…..=180度にするんだろうなという話で終わっているのですが??

    • もっちゃんさんの疑問は、

      ・円周角と中心角の関係(円周角は中心角の半分)の基本
      ・中心角が360度に近づくにつれて、円周角はどうなるのか?
      ・中心角がちょうど360度になってしまったときの円周角の扱い
      ・「179.999… = 180度」という無限の考え方との関連

      という4つのポイントに整理できますね。一つずつ、分かりやすく説明していきます。

      円周角と中心角の関係について(基本)
      まず、もっちゃんさんの基本的な理解は正しいです。
      中心角: 円の中心を頂点とし、円周上の2点を通る2本の線分(半径)が作る角です。
      円周角: 円周上の1点を頂点とし、円周上の他の2点を通る2本の弦が作る角です。
      関係: 同じ円弧に対する円周角の大きさは、その円弧に対する中心角の大きさの半分になります。
      (中心角) = 2 × (円周角)

      もっちゃんさんがおっしゃるように、円周をいくつかの円弧に分割して、それぞれの中心角を足すと360度になるのはその通りです。そして、それぞれの円弧に対する円周角も、中心角の半分なので、それらを足し合わせると必ず180度になります。これは、円周角の定理の基本的な性質ですね。

      中心角が360度に近づくとき、円周角はどうなる?
      ここからが、もっちゃんさんの核心的な疑問ですね。
      円周をたくさんの小さな円弧に分割していくと、それぞれの中心角は小さくなります。
      しかし、逆に 「円弧がどんどん大きくなって、中心角が360度に近づく」 という状況を考えてみましょう。
      たとえば、円周を「2つの円弧」に分割するのではなく、「1つの円弧」だけを考えた場合を想像してみてください。
      中心角が、例えば270度になったとします。
      このとき、円周上の頂点A、B、Cがあるとします。中心O、弧ABに対する円周角は∠ACBです。
      中心角が360度に近づくということは、円弧が円周全体に近づいていく、ということです。
      もし、中心角が360度に近い角度(例えば359度)だったとしましょう。
      このとき、円周角の頂点(仮にCとします)は、中心角を作る2つの半径の「すぐ近く」にあります。
      中心角が360度に近いということは、円周角の頂点Cは、中心角を作る2つの半径の「始点」と「終点」がほぼ重なる、円周上の「ある一点」に非常に近づいている状態です。
      中心角が360度に近づくにつれて、円周角も中心角の半分なので、180度に近づきます。
      このときの円周角の頂点は、円周上のどこか一点に位置しますが、中心角が360度に近づくにつれて、その円周角の「両端」となる点(中心角を作る2つの半径が円周と交わる点)が、円周上の「一点」にどんどん近づいていくイメージです。

      中心角がちょうど360度になってしまったとき、円周角はできない?
      もっちゃんさんのご指摘は鋭いです。
      中心角がちょうど360度になるということは、円周上の2点(中心角の始点と終点)が、円周上の「同じ一点」に重なってしまう ということになります。
      この場合、円周角の定義を厳密に考えると、「円周上の2点を通る弦」 が必要ですが、2点が一点に重なってしまうと、弦は定義できなくなります。
      また、中心角が360度ということは、円周角の頂点も、中心角を作る2つの半径の「始点」と「終点」が重なる円周上の「一点」に位置することになります。
      そうなると、円周角の「頂点」と、円周角を作る「2つの弦の端」がすべて同じ点になってしまうため、「角」として意味をなさなくなります。

      数学では、このような「極限の状態」や「定義が曖昧になる場合」は、「定義されない」 とする場合があります。

      「179.999… = 180度」という無限の考え方との関連
      ここでもっちゃんさんが「179.999…..=180度にするんだろうな」とおっしゃったのは、まさにこの「極限」という考え方とつながります。
      数学では、ある値に限りなく近づくことを「極限」と言います。
      中心角が360度に「限りなく近づく」とき、円周角は180度に「限りなく近づきます」。
      この「限りなく近づく」という状態を考えると、数学的には180度とみなすことができるのです。
      ただし、中心角が 「ちょうど360度」 になった瞬間に、円周角の定義から外れてしまうため、「179.999…度」のように「限りなく180度に近づく」という状態とは少し異なります。

      「円周角はできない?」という疑問について、もう少し補足すると、
      中心角が360度になった場合、円周角の頂点が一点に集まってしまうため、私たちがイメージする「角」としては定義されなくなります。
      しかし、数学では、こうした「境界線」のような状態を考えるときに、「極限」という考え方を使って、その値に「限りなく近い」状態を考えることがあります。
      円周角の定理を考える上では、「中心角が360度未満の範囲」で考えていることがほとんどです。
      もし「中心角が360度」という状況をあえて考えるならば、それは「円周角」というよりは、線分が一点に重なった「退化(たいか)した状態」と考えることもできます。
      もっちゃんさんが友達との会話で「179.999…..=180度にするんだろうな」という結論になったのは、「中心角が360度に近づく」という現象から、円周角が180度に近づくことの「極限」としての意味合いにたどりついたという点で、非常に鋭い考えだと思います。

  2. ありがとうございます。
    先生の話をまとめると、次の理解で良いのでしょうか?

    極限の世界として1つの円弧の中心角が360度に限りなく近づく時、円周角は179.999… = 180度と考えることが出来るが、1つの円弧の中心角が360度となるときは、円周角は定義されない。

    • もっちゃんさん、ご自身の言葉でまとめくださりありがとうございます。
      中心角が360度に近づく場合と、ちょうど360度になった場合の区別を、明確に理解されているのがよく分かります。
      このまとめ方で良いと思います!

      • 先生のこのサイトを知る事が出来てとてもよかった思ってます。これからもよろしくお願いいたします。

  3. このページを読みながらちょっと思い出したこと

    1、円周角と弧の定理
     練習問題において四角形ABCDは台形であり、また円周角と弧の定理の関係から円に内接する台形ABCDは必ず等脚台形になる。
    2、直径と円周角の定理
     円に内接する長方形の対角線はその円の直径になる。

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