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第3問

ABCABC を三角形とする。頂点 AA から引いた中線および角の二等分線が辺 BCBC と交わる点をそれぞれ MM および NN とする。点 NN における NANA の垂線が直線 MAMA および BABA と交わる点をそれぞれ QQ および PP とし、点 PP における BABA の垂線が直線 ANAN の延長と交わる点を OO とする。このとき、QOQO が BCBC に垂直であることを証明せよ。
ステップ 1/3: シムソン線を用いて弧の中点Kを3辺に射影する
ざっくり言うと

弧 BCBC の中点 KK は角の二等分線 ANAN と辺 BCBC の中点 MM を結びつけ、さらにシムソンの定理によって MM と辺 ABAB、ACAC 上の射影 RR、SS が一直線で結ばれる。

K=AN∩(ABC),KB=KC,MB=MC  ⟹  KM⊥BCK = AN \cap (ABC), \qquad KB = KC, \quad MB = MC \implies KM \perp BC
詳しい解説

角の二等分線 ANAN と △ABC\triangle ABC の外接円とのもう一方の交点を KK とすると、この点は AA を含まない弧 BCBC の中点である。KB=KCKB = KC であり、MM は BCBC の中点(MB=MCMB = MC)であるから、直線 KMKM は BCBC の垂直二等分線となり、MM は KK から BCBC への垂線の足である。さらに KK から直線 ABAB および ACAC に下ろした垂線の足をそれぞれ RR および SS とすると、シムソンの定理により R,M,SR, M, S は △ABC\triangle ABC に関する KK のシムソン線上に同一直線上に並ぶ。