Il circocentro è il centro del circumcerchio (la circonferenza circoscritta ad un poligono). Se il poligono è un triangolo, questo è il punto di intersezione o degli assi dei suoi lati (figura sotto a sinistra) oppure delle bisettrici dei suoi angoli (figura sotto a destra).
Riferendosi all'immagine a destra e al caso 2D, si definiscano
A = (x_a, y_a), B = (x_b, y_b), C = (x_c, y_c), P = (x_p, y_p)
\overrightarrow{AB} = (B - A) = ((x_b - x_a), (y_b - y_a)) = (X_{AB}, Y_{AB})
\overrightarrow{AC} = (C - A) = ((x_c - x_a), (y_c - y_a)) = (X_{AC}, Y_{AC})
\overrightarrow{AP} = (P - A) = ((x_p - x_a), (y_p - y_a)) = (X_{AP}, Y_{AP})
\overrightarrow{BP} = (P - B) = ((x_p - x_b), (y_p - y_b)) = (X_{BP}, Y_{BP})
\overrightarrow{CP} = (P - C) = ((x_p - x_c), (y_p - y_c)) = (X_{CP}, Y_{CP})
Bisogna trovare il punto P = (x_p, y_p). Per cominciare è utile notare che, come è noto, le bisettrici degli angoli di un triangolo partono dai vertici e si intersecano nel centro dello stesso, quindi si ha che |\overrightarrow{AP}|, |\overrightarrow{BP}| e |\overrightarrow{CP}| sono uguali al raggio del circumcerchio. Inoltre si ha che
\overrightarrow{AB} = \overrightarrow{AP} - \overrightarrow{BP}
(X_{AB}, Y_{AB}) = (X_{AP}, Y_{AP}) - (X_{BP}, Y_{BP})
\begin{equation}\label{eq:1}(X_{BP}, Y_{BP}) = (X_{AP}, Y_{AP}) - (X_{AB}, Y_{AB})\end{equation}
Per quanto detto sopra riguardo il raggio del circumcerchio si ha che
|\overrightarrow{AP}|^2 = |\overrightarrow{BP}|^2
\begin{equation}\label{eq:2}X_{AP}^2 + Y_{AP}^2 = X_{BP}^2 + Y_{BP}^2\end{equation}
Sostituendo \eqref{eq:1} in \eqref{eq:2} si ha che
X_{AP}^2 + Y_{AP}^2 = (X_{AP} - X_{AB})^2 + (Y_{AP} - Y_{AB})^2
X_{AP}^2 + Y_{AP}^2 = X_{AP}^2 - 2X_{AP}X_{AB} + X_{AB}^2 + Y_{AP}^2 - 2Y_{AP}Y_{AB} + Y_{AB}^2
X_{AB}^2 + Y_{AB}^2 = 2X_{AP}X_{AB} + 2Y_{AP}Y_{AB}
X_{AB}^2 + Y_{AB}^2 = 2(X_{AP}X_{AB} + Y_{AP}Y_{AB})
\begin{equation}\label{eq:3}X_{AB}^2 + Y_{AB}^2 = |\overrightarrow{AB}|^2 = |(B - A)|^2 = |(x_b - x_a) - (y_b - y_a)|^2 = 2(X_{AP}X_{AB} + Y_{AP}Y_{AB})\end{equation}
Allo stesso modo si ha che
\overrightarrow{AC} = \overrightarrow{AP} - \overrightarrow{CP}
(X_{AC}, Y_{AC}) = (X_{AP}, Y_{AP}) - (X_{CP}, Y_{CP})
\begin{equation}\label{eq:4}(X_{CP}, Y_{CP}) = (X_{AP}, Y_{AP}) - (X_{AC}, Y_{AC})\end{equation}
Ancora una volta, per quanto detto sopra riguardo il raggio del circumcerchio si ha che
|\overrightarrow{AP}|^2 = |\overrightarrow{CP}|^2
\begin{equation}\label{eq:5}X_{AP}^2 + Y_{AP}^2 = X_{CP}^2 + Y_{CP}^2\end{equation}
Sostituendo \eqref{eq:4} in \eqref{eq:5} si ha che
X_{AP}^2 + Y_{AP}^2 = (X_{AP} - X_{AC})^2 + (Y_{AP} - Y_{AC})^2
X_{AP}^2 + Y_{AP}^2 = X_{AP}^2 - 2X_{AP}X_{AC} + X_{AC}^2 + Y_{AP}^2 - 2Y_{AP}Y_{AC} + Y_{AC}^2
X_{AC}^2 + Y_{AC}^2 = 2X_{AP}X_{AC} + 2Y_{AP}Y_{AC}
X_{AC}^2 + Y_{AC}^2 = 2(X_{AP}X_{AC} + Y_{AP}Y_{AC})
\begin{equation}\label{eq:6}X_{AC}^2 + Y_{AC}^2 = |\overrightarrow{AC}|^2 = |(C - A)|^2 = |(x_c - x_a) - (y_c - y_a)|^2 = 2(X_{AP}X_{AC} + Y_{AP}Y_{AC})\end{equation}
Moltiplicando \eqref{eq:3} per X_{AC} e \eqref{eq:6} per -X_{AB} e sommando le due equazioni si può ottenere Y_{AP}
X_{AC}|\overrightarrow{AB}|^2 = 2(X_{AC}X_{AP}X_{AB} + X_{AC}Y_{AP}Y_{AB})
-X_{AB}|\overrightarrow{AC}|^2 = -2(X_{AB}X_{AP}X_{AC} + X_{AB}Y_{AP}Y_{AC})
X_{AC}|\overrightarrow{AB}|^2 - X_{AB}|\overrightarrow{AC}|^2 = 2(X_{AC}X_{AP}X_{AB} + X_{AC}Y_{AP}Y_{AB}) - 2(X_{AB}X_{AP}X_{AC} + X_{AB}Y_{AP}Y_{AC})
X_{AC}|\overrightarrow{AB}|^2 - X_{AB}|\overrightarrow{AC}|^2 = 2Y_{AP}(X_{AC}Y_{AB} - X_{AB}Y_{AC})
Y_{AP} = \displaystyle\frac{X_{AC}|\overrightarrow{AB}|^2 - X_{AB}|\overrightarrow{AC}|^2}{2(X_{AC}Y_{AB} - X_{AB}Y_{AC})} = \displaystyle\frac{X_{AC}|(B - A)|^2 - X_{AB}|(C - A)|^2}{2(X_{AC}Y_{AB} - X_{AB}Y_{AC})} = \displaystyle\frac{\begin{vmatrix}(x_c - x_a) & |(x_c - x_a) - (y_c - y_a)|^2 \\ (x_b - x_a) & |(x_b - x_a) - (y_b - y_a)|^2\end{vmatrix}}{2\begin{vmatrix}(x_c - x_a) & (y_c - y_a) \\ (x_b - x_a) & (y_b - y_a) \end{vmatrix}}
Allo stesso modo, moltiplicando \eqref{eq:3} per Y_{AC} e \eqref{eq:6} per -Y_{AB} e sommando le due equazioni si può ottenere X_{AP}
Y_{AC}|\overrightarrow{AB}|^2 = 2(Y_{AC}X_{AP}X_{AB} + Y_{AC}Y_{AP}Y_{AB})
-Y_{AB}|\overrightarrow{AC}|^2 = -2(Y_{AB}X_{AP}X_{AC} + Y_{AB}Y_{AP}Y_{AC})
Y_{AC}|\overrightarrow{AB}|^2
- Y_{AB}|\overrightarrow{AC}|^2 = 2(Y_{AC}X_{AP}X_{AB} + Y_{AC}Y_{AP}Y_{AB}) - 2(Y_{AB}X_{AP}X_{AC} + Y_{AB}Y_{AP}Y_{AC})
Y_{AC}|\overrightarrow{AB}|^2 - Y_{AB}|\overrightarrow{AC}|^2 = 2X_{AP}(Y_{AC}X_{AB} - Y_{AB}X_{AC})
X_{AP}
= \displaystyle\frac{Y_{AC}|\overrightarrow{AB}|^2 - Y_{AB}|\overrightarrow{AC}|^2}{2(Y_{AC}X_{AB} - Y_{AB}X_{AC})} =
\displaystyle\frac{Y_{AC}|(B - A)|^2 - Y_{AB}|(C - A)|^2}{2(Y_{AC}X_{AB}
- Y_{AB}X_{AC})} = \displaystyle\frac{\begin{vmatrix}(y_c - y_a) &
|(x_c - x_a) - (y_c - y_a)|^2 \\ (y_b - y_a) & |(x_b - x_a) - (y_b -
y_a)|^2\end{vmatrix}}{2\begin{vmatrix}(x_b - x_a) & (y_b - y_a) \\
(x_c - x_a) & (y_c - y_a) \end{vmatrix}}
Dunque, dato che X_{AP}
= (x_p - x_a), Y_{AP} = (y_p - y_a) e che cambiando due righe o colonne di una matrice cambia il segno del determinante, si ha che
x_p = x_a + \displaystyle\frac{Y_{AC}|\overrightarrow{AB}|^2 - Y_{AB}|\overrightarrow{AC}|^2}{2(Y_{AC}X_{AB} - Y_{AB}X_{AC})} = x_a +
\displaystyle\frac{Y_{AC}|(B - A)|^2 - Y_{AB}|(C - A)|^2}{2(Y_{AC}X_{AB}
- Y_{AB}X_{AC})} = x_a - \displaystyle\frac{\begin{vmatrix}(y_b - y_a) & |(x_b - x_a) - (y_b -
y_a)|^2 \\ (y_c - y_a) &
|(x_c - x_a) - (y_c - y_a)|^2\end{vmatrix}}{2\begin{vmatrix}(x_b - x_a) & (y_b - y_a) \\
(x_c - x_a) & (y_c - y_a) \end{vmatrix}}
y_p = y_a + \displaystyle\frac{X_{AC}|\overrightarrow{AB}|^2 -
X_{AB}|\overrightarrow{AC}|^2}{2(X_{AC}Y_{AB} - X_{AB}Y_{AC})} =
y_a + \displaystyle\frac{X_{AC}|(B - A)|^2 - X_{AB}|(C - A)|^2}{2(X_{AC}Y_{AB}
- X_{AB}Y_{AC})} = y_a + \displaystyle\frac{\begin{vmatrix}(x_b - x_a) & |(x_b - x_a) - (y_b -
y_a)|^2 \\ (x_c - x_a) &
|(x_c - x_a) - (y_c - y_a)|^2\end{vmatrix}}{2\begin{vmatrix}(x_b - x_a) & (y_b - y_a) \\
(x_c - x_a) & (y_c - y_a)\end{vmatrix}}
Da notare che i denominatori al secondo membro delle due equazioni sopra non sono altro che l'area del triangolo \triangle ABC, moltiplicato per quattro. Si veda [2] per maggiori dettagli.
Allo stesso modo e con calcoli più laboriosi si perviene alla formula per il calcolo del circocentro in 3D
P = A + \displaystyle\frac{|(C - A)|^2*[(B - A)\times (C - A)]\times (B - A) + |(B - A)|^2*(C - A)\times [(B - A)\times (C - A)]}{2|(B - A)\times (C - A)|^2}
Riferimenti
[1] Geometry for Computer Graphics - John Vince
[2] Collinearità di tre punti in 2D
[3] https://www.ics.uci.edu/~eppstein/junkyard/circumcenter.html
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