MathLabs

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 3/3: Aを中心とする相似変換でOQをKMに移す
ざっくり言うと

配置 (O,P,Q)(O, P, Q) は単に点 AA を中心として (K,R,M)(K, R, M) を拡大・縮小したコピーにすぎない。二等分線上で点 NN を動かしても △OPQ\triangle OPQ が相似に拡大・縮小されるだけで、OQOQ の向きは変わらない。

HA:O↦K  ⟹  P↦R  ⟹  Q↦M  ⟹  OQ∥KM⊥BC\mathcal{H}_A: O \mapsto K \implies P \mapsto R \implies Q \mapsto M \implies OQ \parallel KM \perp BC
詳しい解説

直線 ANAN 上で OO を KK に移す、点 AA を中心とする相似変換 HA\mathcal{H}_A を考える。OP⊥ABOP \perp AB かつ KR⊥ABKR \perp AB より直線 OPOP と KRKR は平行であるから、HA\mathcal{H}_A は直線 OPOP を直線 KRKR に移し、したがって P=OP∩ABP = OP \cap AB を R=KR∩ABR = KR \cap AB に移す。次に PQ∥RSPQ \parallel RS かつ M∈RSM \in RS より、HA\mathcal{H}_A は直線 PQPQ を直線 RSRS に移すため、Q=PQ∩AMQ = PQ \cap AM は M=RS∩AMM = RS \cap AM に移される。HA(O)=K\mathcal{H}_A(O) = K かつ HA(Q)=M\mathcal{H}_A(Q) = M であるから、直線 OQOQ は直線 KMKM に平行である。KM⊥BCKM \perp BC より、QO⊥BCQO \perp BC が従う。