シムソン線とは、三角形の外接円上の点から3辺へ下ろした垂線の足が作る直線である。
定理 1 (シムソンの定理). 非退化三角形△ABCの外接円上に、頂点とは異なる点Pを取る。Pから直線BC,CA,ABへ下ろした垂線の足をそれぞれD,E,Fとすると、D,E,Fは一直線上にある。
証明の方針。 複素平面で外接円を単位円に移す。単位円上の2点を結ぶ直線への垂足を公式で書き、3つの垂足の差の比が実数になることを示す。実数比は3点の共線性を意味する。
証明. 単位円上ではu=1/u,v=1/vなので、弦uvの直線は
z+uvz=u+vと書ける。右辺のqを代入するとこの方程式を満たす。またp−q=(p−u−v+uvp)/2と弦の方向v−uの内積を実部で計算すると
Re((p−q)(v−u))=0となる。したがってpqは弦に垂直であり、qは求める垂足である。▨
証明. 外接円を相似変換して単位円とし、頂点と点Pの複素座標をそれぞれa,b,c,pとする。すべての絶対値は1である。補題から、BC,CA,ABへの垂足d,e,fは
d=2p+b+c−bcp,e=2p+c+a−cap,f=2p+a+b−abp.よって
f−de−d=(a−c)(1−bp)(a−b)(1−cp)=(a−c)(p−b)(a−b)(p−c).最後の値が実数であることを共役を取って確認する。∣a∣=∣b∣=∣c∣=∣p∣=1より
(a−c)(p−b)(a−b)(p−c)=(1/a−1/c)(1/p−1/b)(1/a−1/b)(1/p−1/c)=(a−c)(p−b)(a−b)(p−c).したがって(e−d)/(f−d)は実数であり、d,e,fは一直線上にある。相似変換を戻しても共線性は保たれる。▨
頂点やPが一致すると垂足の公式の分母や直線の一意性が壊れるため、定理では除外した。極限として扱える配置もあるが、ここでは一般配置に限定する。