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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 2/3: シムソン線RMSがPQに平行であることを示す
ざっくり言うと

角の二等分線 ANAN に関する対称性から、射影 RR と SS は互いに鏡像の関係になるため、直線 RSRS は自動的に ANAN と直交する。

AR=AS, KR=KS  ⟹  RS⊥AK  ⟹  RMS∥PQAR = AS,\ KR = KS \implies RS \perp AK \implies RMS \parallel PQ
詳しい解説

KK は ∠BAC\angle BAC の二等分線上にあり、∠ARK=∠ASK=90∘\angle ARK = \angle ASK = 90^\circ であるから、直角三角形 △ARK\triangle ARK と △ASK\triangle ASK は合同となり、四角形 ARKSARKS は AR=ASAR = AS かつ KR=KSKR = KS を満たす凧形である。したがって対角線 RSRS は対称軸 AKAK(すなわち直線 ANAN)に垂直である。仮定より PQ⊥ANPQ \perp AN であるから、シムソン線 RMSRMS は PQPQ に平行となる。