胡蝶定理

形式的な証明を以下に述べる。

XX', XX'' をそれぞれ X から AM, DM に下ろした垂線とし、同様に YY', YY'' をそれぞれ Y から BM, CM に下ろした垂線とする。

∠MX'X = ∠MY'Y = 90° かつ ∠X'MX = ∠Y'MY （対頂角）であるから △MXX' と △MYY' は相似。従って次式が成り立つ。

${\displaystyle \mathrm {{MX \over MY}={XX' \over YY'}} }$

同様に △MXX'' と △MYY'' も相似であるので、次式が成り立つ。

${\displaystyle \mathrm {{MX \over MY}={XX'' \over YY''}} }$

∠AX'X = ∠CY''Y = 90° かつ ∠XAX' = ∠YCY'' （円周角の定理） であるから △AXX' と △CYY'' は相似。従って次式が成り立つ。

${\displaystyle \mathrm {{XX' \over YY''}={AX \over CY}} }$

同様に △DXX'' と △BYY' も相似であるので、次式が成り立つ。

${\displaystyle \mathrm {{XX'' \over YY'}={DX \over BY}} }$

以上の式より

${\displaystyle \mathrm {\left({MX \over MY}\right)^{2}={XX' \over YY'}{XX'' \over YY''}} }$

${\displaystyle \mathrm {\qquad \qquad \;={AX\cdot DX \over CY\cdot BY}} }$

${\displaystyle \mathrm {\qquad \qquad \;={PX\cdot QX \over PY\cdot QY}} }$　（∵方べきの定理）

${\displaystyle \mathrm {\qquad \qquad \;={(PM-XM)\cdot (MQ+XM) \over (PM+MY)\cdot (QM-MY)}} }$

${\displaystyle \mathrm {\qquad \qquad \;={(PM)^{2}-(MX)^{2} \over (PM)^{2}-(MY)^{2}}\quad (\because PM=MQ)} }$

となり、ゆえに

${\displaystyle \mathrm {{(MX)^{2} \over (MY)^{2}}={(PM)^{2}-(MX)^{2} \over (PM)^{2}-(MY)^{2}}} }$

であるから、MX = MY 即ち M が XY の中点であることが従う。

このほか射影幾何学を用いた証明も存在する^[3][4]。